多孔碳纳米材料具有许多独特的性质,包括高比表面积、良好的化学稳定性和高度的热稳定性等,而孔隙可以提供极大的比表面积以及离子通道,使得多孔碳纳米材料有望在未来成为超级电容器中的重要组成部分。本论文分别用了软模板法、硬模板法和无模板法三种多孔碳材料常用的制备方法,探索如何控制碳材料的形貌和孔隙结构,从而实现对其性能的精细调控。主要的研究工作包括:1)使用间苯二酚-甲醛(RF)树脂作为碳源,非离子表面活性剂Pluronic F127和结构导向剂均三甲苯(TMB)通过氢键形成的胶束作为软模板,采用一步超组装法合成了具有高长径比和有序介孔的弯曲碳纳米棒(BMCR),并探索了TMB的用量对BMCR结构的影响。结果表明,不同的TMB用量对BMCR的长径比有着调控作用,而长径比的改变对BMCR的电化学性能有着显著的影响。通过表征分析得出,添加了0.35 m L TMB的BMCR-2具有明显的有序介孔特征、最高的长径比和最高的比表面积(585 m2·g-1)。电化学测试表明,BMCR-2具有优异的比电容(0.5 A·g-1时达到214.7 F·g-1)和循环稳定性(经过10000次循环后,保持在初始性能的96.3%)。2)以三聚氰胺-甲醛(MF)超分子聚合物纳米球为硬模板和氮源,采用间苯二酚-甲醛(RF)树脂为碳源包覆在MF纳米球的表面形成一层RF外壳,并继续包覆二氧化硅外壳来辅助增强RF外壳的刚性,随后在纳米尺度的有限空间内对MF纳米球进行热解,留下RF树脂外壳成碳,并除去二氧化硅后制备了氮掺杂中空介孔碳球(NMHS-2)。得益于中空球形结构、多孔外壳和氮掺杂,NMHS-2表现出240.9 F·g-1的高比电容、6.1 Wh·kg-1的高能量密度、高速率性能和10000次循环后保持初始性能的92.6%的长循环寿命。3)采用一种基于无模板的自聚合方法,采用对苯二甲醛和3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)为碳源,并加入正硅酸乙酯(TEOS)参与竞争反应,制备出了多面凹陷褶皱结构的空心碳纳米球(PHCS),并通过调整TEOS的用量来控制PHCS的直径和凹陷程度。结果发现,TEOS用量为1 m L时制备出的PHCS-3具有高表面积(842.1 m2·g-1)、多面褶皱的空心结构,从而产生了极佳的超级电容器性能。具体来说,它们拥有高比电容(0.5A·g-1下达到311.6 F·g-1)、高能量密度(7.4 Wh·kg-1)和优异的循环稳定性(10000次循环保持初始性能的89.6%)。
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