离子液体在电化学电容及功能化电极方面的应用研究

来源 :中国科学院长春应用化学研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sncyk
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采用(CPE)滩针电极,结合(CV)和(EI)电化学技术证明了咪唑基离子液体本身具有不同于普通水溶液电解质的大的电化学电容。并通过SEM对电极界面进行了分析,表明离子液体对电极有活化作用,使电极表面更加粗糙、有序,从而有利于双电层电荷的迁移和贮存。初步讨论认为离子液体这种显著的电化学双电层电容主要归因于本身具有高的离子强度,并且通过极强的氢键形成了大量的离子对分子。由于离子对分子整体呈中性不易受电极电场影响而破坏其在电极表面的有序分布,使得界面层能容纳更多的电荷。另外离子对分子本身呈电荷分离状也构成了并排的微小电容器。实际上双电层中的离子液体电介质能够极大地增强电容器的介电常数。   用无溶剂离子液体作电解质、化学活化处理的(AC)作负极材料、高温煅烧氧化制备的(NMRO)作正极材料组装了一种非对称的高性能超级电容器。实验证明两种电极材料与离子液体均有良好的兼容性能,在离子液体中有较高的电容。NMRO/AC非对称超级电容器在离子液体中以3.0 V的电压循环充放500次,没有明显的容量衰减,并且库仑效率一直维持在100+1%。该电容器除了具有高的功率密度外,它的能量密度已接近电池水平。NMRO/AC超级电容器在离子液体中展示的高性能与离子液体对电极的活化作用密不可分。一方面离子液体本身具有稳定的电化学和良好的导电性,另一方面离子液体提供了高功率和高能量密度所需的高电压。此外,离子液体没有挥发性,它能够渗入到隔膜以及活性材料内部,保证这些材料始终处于流动离子的包围中。   研究了几种多孔碳材料(包括AC、CNT、MC和CG)的孔结构特性以及它们在水溶液介质和离子液体中的电化学性能。表明材料的孔结构与匹配的电解质是高性能电容器材料最为关键的因素。具有大量的微孔和高比表面积的多孔碳材料(如CNT和AC)适合在水溶液电解质中使用,而拥有较多大的介孔和大孔的碳材料(如CG和AC)适合在离子液体中使用。在具有相同工作电压的电解质中操作,材料的孔越大越有利于其功率性能的提高(如CG>AC>CNT)。同种碳材料在不同电解质中使用,电解质的可操作电压越高,越有利于提高材料的能量性能。具有3D大孔结构的CG在离子液体中的能量密度高达58 Wh/kg,可望用这种材料制作成高性能的电池超级电容器。   将(CTAB)阳离子表面活性剂和(BMIC)离子液体作为结构导向模板,通过共模板法成功制备了具有分级孔结构的V205纳米晶。其中CTAB形成的阳离子胶束有利于较大孔的形成,而BMIC离子液体则对有序的小孔形成起着重要作用。在加热过程中,由于CTAB的分解温度比BMIC低,因此主要由其导向形成的大孔在应力作用下会变形而变得不规则。BMIC模板试剂比例的增加有利于制备出粒径较小、孔径分布较窄、更加规则有序的介孔纳米晶。目标材料的电化学电容研究表明,具有多孔结构的V2O5纳米晶可望用作超级电容器材料。其赝电容量对总电容有较大的贡献,因此可以通过掺入晶格稳定剂和降低氧空位等方式来稳定材料的晶格结构,从而保持高的电容活性。   首次提出了用导电的离子液体取代有机矿物油制作碳糊电极,并通过比较初步证明了离子液体型碳糊电极的性能要优于传统碳糊电极。性能的提高主要归因于离子液体与石墨碳之间具有很好的兼容性,使电极的电荷传递过程同时包含电子和离子两种传输通道,因而大大增强了其表面电荷的转移速率,提高了响应灵敏度。用(POM)对离子液体型碳糊电极进行本体修饰增强了POM的多电子催化性能,在对亚硝酸盐的还原催化过程中,四步还原产物均能提供电子用于催化还原反应。另外POM本体修饰的碳糊电极容易获得可更新的表面,并且性能稳定,因此,在物理化学和电分析化学等领域具有潜在的应用前景。
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