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电化学电容器作为一种安全可靠、清洁环保的新型储能器件,近年来备受关注。多孔碳材料经常被用来制备电化学电容器的电极,具有良好的性能。多孔碳材料的比表面积和孔径分布与电化学电容器电容性能关系紧密。炭气凝胶由于具有独特的三维纳米网络结构和优良的导电性,被认为是制备电化学电容器电极的理想材料。
本论文中,以间苯二酚(R)和甲醛(F)为原料,采用微乳液模板调控溶胶.凝胶聚合反应法(MTSGP)制备了RF气凝胶。通过改变催化剂用量和炭化处理温度得到具有不同比表面积和孑L径分布的炭气凝胶和半炭化气凝胶。以KOH为活化剂,以不同的活化剂用量对炭气凝胶或半炭化气凝胶进行改性处理,最终得到活性炭气凝胶。通过低温氮气吸附法、SEM、FTIR、XRD分析炭气凝胶、半炭化气凝胶和活性炭气凝胶的孔结构和表面基团性质,通过循环伏安法和交流阻抗谱法测试了炭气凝胶和活性炭气凝胶的电化学性能,探讨了催化剂配比、炭化处理温度及活化条件与孔结构的关系及孔结构与电化学性能之间的关系。本实验取得了以下结果:
(1)KOH活化能增加炭气凝胶的比表面积并改变其孔结构。KOH活化的主要作用是刻蚀炭气凝胶骨架上的碳,刻蚀既能生成微孔,又能将各种大小的孔扩大。适当的KOH活化可以保存好炭气凝胶的碳骨架,过度的活化则会造成碳骨架的破坏和孔结构塌陷,并发生炭气凝胶粒子的“融并”现象。
(2)足够的其碳骨架强度对于活化来说是必要的。RC比决定了炭气凝胶粒子的颗粒大小,因此决定了其碳骨架强度,RC比高,则强度越高。CA-RC500比CA-RCl25具有更高的碳骨架强度,因此在活化过程中能更好地保持碳骨架。RC比高的炭气凝胶在高活化剂用量的条件下活化仍能保持碳骨架。
(3)半炭化的:RF气凝胶比完全炭化的炭气凝胶具有更多的“活性点碳”,而且其骨架中含有有机成分,采用KOH处理时,既有KOH刻蚀碳的反应,也有KOH促使部分有机成分骨架分解的反应,因此,活化效果更好,孔结构的控制也更加灵活。选择适当的半炭化温度可以在保持好碳骨架的情况下得到中孔非常丰富的活性炭气凝胶。
(4)KOH活化制备的活性炭气凝胶的比电容高于未活化的炭气凝胶,提高幅度最高可达1.5倍以上,最高可达257F/g。与日本生产的商用电容器使用的超级活性炭进行孔结构及电化学性能比较,发现所制备的活性炭气凝胶样品ACA-KS500-1的储电性能优于该超级活性炭。
(5)以结构类似为标准对活性炭气凝胶进行分组,A型活性炭气凝胶和B型活性炭气凝胶的比电容均与比表面积显示了良好的比例线性关系。比较A型活性炭气凝胶和B型活性炭气凝胶的电化学性能,发现A型活性炭气凝胶更适合用于高功率电双层电容器,说明碳骨架保持良好的活性炭气凝胶性能优于具有超高比表面积但碳骨架遭到破坏的活性炭气凝胶,合适的活化方式应该是既能保持原有碳骨架,又能提高比表面积。