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有序介孔碳/聚苯胺复合材料的制备及其在超级电容器中的应用

作　者: 蔡建军
导　师: 孔令斌
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 超级电容器 有序介孔碳/聚苯胺复合材料 化学改性 比电容 混合电容器 能量密度
分类号: TM53
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


论文综述了超级电容器的国内外现状及超级电容器电极材料的最新研究进展,并且制备了超级电容器电极材料。由于有序介孔碳材料具有规则的排列、比较大的比表面积等优点,本文将有序介孔碳(CMK-3)与聚苯胺复合而制备得到CMK-3/PANI复合电极材料,并且以介孔碳为超级电容器的电极材料组装了混合电容器。研究其作为超级电容器电极材料的电化学性质,具体开展的研究内容如下：1.以SBA-15为模板制备了有序介孔碳材料,并且采用硝酸溶液对CMK-3的表面进行改性和修饰。系统研究了未改性CMK-3(p-CMK-3)及改性CMK-3(m-CMK-3)的结构、形貌特征、孔径大小及孔径分布。并对介孔碳的电化学性能进行了测试分析,结果表明,制备的CMK-3具有二维六方有序结构,结构完整均一且具有较高的有序度,孔径分布主要分布在2～8nm左右,比表面积和孔容大小分别为1206m2／g和1.38cm3／g。CMK-3具有最好的双电层电容性能,可达145F／g。CMK-3在HN03溶液中进行表面修饰,其电容性能有了明显地提高,达到200 F/g。2.将改性后的CMK-3(m-CMK-3)作为载体,通过化学氧化的方法加入PANI中,制得了m-CMK-3/PANI复合材料。并用SEM、循环伏安法、恒流充放电法和交流阻抗法研究了复合电极材料的结构和电化学性质。研究结果表明,PANI颗粒在载体m-CMK-3的碳纤维束上包覆,该复合物结构疏松,呈三维多孔结构,使得孔隙率增加,渗透性改善,有利于促使电解液中的活性离子扩散到电极表面和体相当中,发生氧化还原反应,产生大的法拉第赝电容。m-CMK-3的含量为30 wt%时,m-CMK-3/PANI复合材料比容量高达489 F/g。m-CMK-3的独特的孔结构、大比表面积和表面活性在m-CMK-3/PANI复合材料的结构上起了重要作用,使活性物质PANI更分散,提高了PANI的利用率和循环稳定性。3.为了进一步提高：m-CMK-3/PANI复合材料在超级电容器应用中的功率特性和能量密度,改善m-CMK-3/PANI复合材料循环稳定性。将该复合材料为正极材料,配以介孔碳CMK-3为负极和1mol/L H2SO4和1mol/L NaNO3电解液,组装成为电化学混合电容器,混合电容器的工作电压都提高至1.4V,1mol/L H2SO4中电容量为87.4F/g。经过电化学测试,在5mA/cm2电流密度和1.4V充放电电位条件下,电容器功率密度为206W/kg,能量密度达23.8Wh/kg。在1mol/L NaNO3中,混合电容器的能量密度在大功率情况下衰减小,经过1000次循环容量衰减约10%,充放电效率维持在96%左右,表现出良好的超级电容特性。

全文目录


摘要  8-9
ABSTRACT  9-11
第1章 绪论  11-26
  1.1 超级电容器概述  11-12
  1.2 超级电容器的结构和基本原理  12-13
    1.2.1 双电层电容器的工作原理  12
    1.2.2 基于导电聚合物的法拉第准电容的基本原理  12-13
  1.3 超级电容器的分类  13-14
    1.3.1 双电层电容器  13
    1.3.2 法拉第准电容器  13-14
    1.3.3 导电聚合物电容器  14
    1.3.4 混合型超级电容器  14
  1.4 超级电容器电极材料的研究  14-15
    1.4.1 碳电极材料  14-15
    1.4.2 金属氧化物电极材料  15
    1.4.3 导电聚合物电极材料  15
  1.5 超级电容器的特点  15-16
  1.6 超级电容器的应用和市场前景  16-18
  1.7 混合电容器概述  18-20
    1.7.1 混合超级电容器  18
    1.7.2 混合超级电容器的研究进展  18-19
    1.7.3 混合电容器的特点及其应用  19-20
  1.8 聚苯胺  20-23
    1.8.1 聚苯胺的结构  20-22
    1.8.2 聚苯胺复合材料的研究进展  22-23
  1.9 有序介孔碳的性质及应用  23-24
    1.9.1 介孔碳特性  23
    1.9.2 介孔碳研究进展和应用  23-24
  1.10 本课题研究的意义及研究内容  24-26
    1.10.1 本论文的研究意义  24-25
    1.10.2 本论文的研究内容  25-26
第2章 实验部分及测试方法  26-31
  2.1 试剂与仪器  26-27
  2.2 电极的制备  27
  2.3 电极材料的表征和测试  27-31
    2.3.1 电极材料的表征  27-28
    2.3.2 电极材料的电化学测试方法  28-31
第3章 介孔碳的制备与表面修饰  31-37
  3.1 引言  31-32
  3.2 介孔碳CMK-3的制备和改性  32
    3.2.1 介孔碳的制备  32
    3.2.2 介孔碳的改性  32
  3.3 结果与讨论  32-36
    3.3.1 XRD测试  32-33
    3.3.2 比表面积和孔径分析  33-34
    3.3.3 TEM分析  34-35
    3.3.4 SEM分析  35-36
    3.3.5 红外光谱分析  36
  3.4 本章小结  36-37
第4章 介孔碳/聚苯胺复合材料的制备及其超级电容性能的研究  37-49
  4.1 引言  37
  4.2 实验部分  37-38
  4.3 结果与讨论  38-47
    4.3.1 复合材料SEM表征  38-39
    4.3.2 XPS分析  39-41
    4.3.3 复合材料电导率测试  41
    4.3.4 介孔碳含量与复合材料电极比电容之间的关系  41-43
    4.3.5 放电电流值与复合材料电极比容量之间的关系  43
    4.3.6 不同电解液对改性复合电极的循环伏安曲线的影响  43-44
    4.3.7 两种复合材料电极的电化学性能测试比较  44-45
    4.3.8 两种复合材料电极的交流阻抗图谱测试  45-46
    4.3.9 PANI与m-CMK-3/PANI电极的功率密度和能量密度关系  46-47
    4.3.10 m-CMK-3/PANI复合电极材料的循环稳定性  47
  4.4 本章小结  47-49
第5章 介孔碳/聚苯胺复合物电化学电容器的组装及性能研究  49-60
  5.1 引言  49
  5.2 实验部分  49-51
    5.2.1 电极材料的制备及电容器的组装  49-50
    5.2.2 电化学性质测试  50
    5.2.3 电容器的性能参数  50-51
  5.3 结果与讨论  51-59
    5.3.1 表面修饰后介孔碳的双电层电容性能  51-52
    5.3.2 m-CMK-3/PANI复合物电极对称电容器的性能研究  52-54
    5.3.3 m-CMK-3/PANI复合物电极混合电容器的性能研究  54-59
  5.4 本章小结  59-60
第6章 结论与展望  60-62
  6.1 本文结论  60
  6.2 研究展望  60-62
参考文献  62-69
致谢  69-70
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  70

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电器 > 电容器
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