多孔碳材料的熔鹽法制備、結(jié)構(gòu)調(diào)控及電容性能研究

多孔碳材料的熔鹽法制備、結(jié)構(gòu)調(diào)控及電容性能研究作為一種綠色儲(chǔ)能器件,超級(jí)電容器具有大的功率密度、好的循環(huán)穩(wěn)定性以及高的安全性等優(yōu)勢(shì),但目前的瓶頸問(wèn)題是能量密度較低。為了提高超級(jí)電容器的能量密度,設(shè)計(jì)合成高性能的電極材料具有重要的意義。碳材料作為基礎(chǔ)電極材料,就其理想結(jié)構(gòu)而言,二維片狀結(jié)構(gòu)能夠縮短電解液離子的傳輸距離,同時(shí)有利于電子的快速傳遞;分級(jí)孔結(jié)構(gòu)能協(xié)同發(fā)揮作用,介孔可以為電解液離子提供更暢通的傳輸通道、提高離子傳輸速率,微孔則可以為電極材料提供更多的活性位點(diǎn)。但具有分級(jí)孔結(jié)構(gòu)的二維片狀碳材料的制備目前缺乏綠色高效的手段,其制備過(guò)程通常要涉及到大量強(qiáng)腐蝕性試劑或有毒試劑,而且,到目前為止,大多數(shù)碳材料的制備都是在惰性氣氛下進(jìn)行的,整個(gè)制備過(guò)程通常要耗費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間,這無(wú)疑造成了大量惰性氣體的浪費(fèi)以及相應(yīng)設(shè)備成本的提高。鑒于此,本論文設(shè)計(jì)構(gòu)思了以惰性鹽為密封、活化雙功能介質(zhì),在空氣氣氛中制備多孔碳材料的策略?；诟邷貭顟B(tài)下熔融鹽對(duì)碳產(chǎn)物的刻蝕作用以及鹽的模板效應(yīng),以及高溫下空氣氣氛中的氧氣與高活性的碳原子反應(yīng),本研究選擇生物質(zhì)為前驅(qū)體,來(lái)構(gòu)筑具有分級(jí)孔結(jié)構(gòu)的二維碳片材料,并系統(tǒng)研究材料的電容性能。論文主要內(nèi)容如下:（1）以富含蛋白質(zhì)的三葉草為前驅(qū)物,惰性鹽KCl為密封、活化雙功能介質(zhì),在空氣氣氛中制備了氮摻雜多孔碳材料。由于高溫狀態(tài)下熔融鹽對(duì)碳產(chǎn)物的刻蝕作用以及鹽的模板效應(yīng)可以在產(chǎn)物中引入介孔和大孔,同時(shí)高溫下空氣氣氛中的氧氣能進(jìn)一步與高活性的碳原子反應(yīng),在產(chǎn)物中引入大量的微孔,所制備的二維片狀結(jié)構(gòu)碳材料具有高的比表面積(2244m²g^-1),充足的大孔、介孔和微孔以及豐富的氮摻雜。應(yīng)用于超級(jí)電容器電極材料時(shí),薄的二維結(jié)構(gòu)縮短了離子傳輸距離,豐富的介孔為電解液離子提供了方便的傳輸通道,大量的微孔為電荷提供了豐富的離子吸附位點(diǎn),氮原子摻雜改善了電極材料的浸潤(rùn)性并提供贗電容。因此該材料展示了優(yōu)異的電化學(xué)性能,在三電極體系中電流密度為1Ag^-1時(shí)比電容達(dá)到了436Fg^-1,即使在50Ag^-1的高電流密度下依然保持著290Fg^-1的比電容。進(jìn)一步組裝的對(duì)稱超級(jí)電容器在兩電極體系下也展示出了較高的比電容(420Fg^-1,0.5Ag^-1)、好的倍率性能和30000次循環(huán)充放電后電容幾乎無(wú)衰減的優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。（2）以KCl和NaCl混合的熔融鹽為密封、活化雙功能介質(zhì),以農(nóng)副產(chǎn)品玉米秸稈為前驅(qū)物,在空氣氣氛中原位、高效、可控構(gòu)筑了具有分級(jí)孔結(jié)構(gòu)的碳納米片。通過(guò)TG-DSC深入研究了玉米秸稈在空氣氣氛熔鹽介質(zhì)中的分解和轉(zhuǎn)化過(guò)程,以及在轉(zhuǎn)化過(guò)程中與氣體或蒸汽、熔鹽離子之間的作用機(jī)理,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)改變?nèi)埯}組成、配比、反應(yīng)參數(shù)等條件調(diào)控材料的尺寸、比表面積、孔徑分布等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù),探究了熔鹽介質(zhì)對(duì)材料結(jié)構(gòu)的調(diào)控機(jī)理。通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)調(diào)控材料的形貌結(jié)構(gòu)及孔結(jié)構(gòu),制備的碳材料具有超薄二維片狀結(jié)構(gòu),高的比表面積(1588m²g^-1),充足的大孔、介孔和微孔。應(yīng)用于超級(jí)電容器電極材料時(shí),該材料展示了優(yōu)異的電化學(xué)性能,在三電極體系中電流密度為1Ag^-1時(shí)比電容達(dá)到了407Fg^-1,當(dāng)進(jìn)一步將該電極材料組裝成對(duì)稱超級(jí)電容器時(shí),兩電極體系下對(duì)稱超級(jí)電容器也展示出了較高的比電容(413Fg^-1,0.5Ag^-1)、好的倍率性能和在5Ag^-1的電流密度下循環(huán)充放電20000次電容保持率為92.6%的優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。（3）采用水熱處理前驅(qū)物,輔助熔鹽法在空氣氣氛中制備了氮摻雜的分級(jí)孔碳片材料。水熱處理能破碎生物質(zhì),容易獲得均勻結(jié)構(gòu)材料,熔鹽法可以充分利用熔鹽的密封、活化雙功能介質(zhì)作用,為材料的制備提供特殊的微環(huán)境,基于所采用的合成策略的優(yōu)勢(shì),所制備的碳材料具有均勻的超薄二維碳片結(jié)構(gòu)、高的比表面積(1459m²g^-1),大量的分級(jí)孔和豐富的氮摻雜。將制備的碳材料用于超級(jí)電容器的電極材料,三電極體系下在0.5Ag^-1的電流密度下樣品展示了451Fg^-1較高的比電容,進(jìn)一步利用樣品為兩級(jí)組裝對(duì)稱超級(jí)電容器,組裝的對(duì)稱器件在兩電極體系下0.5Ag^-1的電流密度下展示了309