氮掺杂多孔碳球离子液体型软模板法合成及在超级电容器中的应用.docx

氮掺杂多孔碳球离子液体型软模板合成及其在超级电容器中的应用

摘要

本实验以间苯二酚和丙醛为碳源，在微乳液中聚合形成多孔碳高聚物前驱体，然后经高温碳化，制备多孔碳；后期加入氮源（氨水）和硅源（如正硅酸四乙酯TEOS），共同参与微乳聚合反应形成二氧化硅/碳复合物前驱体，再经高温碳化、氢氟酸刻蚀，可以制备得到丰富结构的氮掺杂多孔碳球（NHPC）。研究发现，NHPC在1A·g-1比电容高达162F·g-1。

关键词：离子液体型；软模板合成；氮掺杂；多孔碳球

引言

经济的迅速腾飞离不开能源的推动，但相应的能源问题也日益突出。其中，环境污染和化石能源不足的问题埋伏在今后人类社会的存续和发展中。为了改善有隐患的生活环境，通过可持续的经济推进人类社会，我们需要做到开源节流。减少化石能源的消费量，尽可能开发更多的风、潮流、太阳能等可持续能源。发生新问题。在化石能量和新能源转换和存储过程中，需要协调各种能量存储装置。因此，高效能量存储装置超级电容器的研发已经成为能源领域的热研究课题。

超级电容器在我们的生活中不广泛使用是难以满足电子设备目前对能量存储装置的高能输出效率的需求的。因此，为了解决这个问题，我们掌握了影响超级电容器能量密度的因素，并战略性地改善了超级电容器的能量密度。具有良好性能的对应电极材料吸引了科学研究爱好者的大多数思考和兴趣。对我们来说，既是机会也是挑战，所以选择材料的方法是获胜的关键。发现影响碳材料电化学性能的因素很多。目前的研究重点是改进碳材料的物理和化学性质，平衡具有优异电化学性能的各种性质和设计电极材料。由能源引发的危机，不仅引起了人类的反思，而且促使人们主动出击，开源节流，研发改造，各界人士大显神通。在科学界，科学家想到了储能电池，而储能电池的核心则是电极材料，最常用的便是碳材料，例如活性炭、碳纳米管、石墨烯，研究学者确定好方向就紧接着投入研究，并取得了一定的成就。而对于我们这些后辈来说，站在巨人的肩膀上，另辟蹊径，掺杂一些极性好的原子到碳材料上，改善储能电池的性能。

一、概论：

1、碳材料简介

碳材料在不同的温度及电解质中显现出独特的稳定性，主要呈现双电层电容器的特性，其比表面积较大、导电率较好、成本较低且无毒，因此是超级电容器用电极材料的首选[1]。此外，小孔径很容易引起孔道的堵塞，使孔道长度变短，闭塞孔出现，电解质离子无法抵达内部材料表面，使内部的比表面积难以利用，材料导电性也较差，因此功率性能较差[2]。介孔碳（孔径介于2nm-50nm）具有比微孔更大更适宜的规则介孔，有利于电解质离子的快速迁移，具有比传统活性碳更好的功率性能。然而介孔碳的比表面较小，且堆积密度小，能量密度较低[3]。大孔碳材料

(孔径＞50nm以上)可以用作充放电过程中电解质离子的缓冲区。发现电解质离子到达材料的内外表面，有效减少孔阻塞，大大减少离子的扩散阻力，促进离子迁移。但是，由于大孔材料的比表面积大多较低，所以导致电容量不够

。

基于各种类型孔结构碳材料在超级电容器应用中存在的缺陷，提出将大孔、介孔和微孔材料有机结合，从而构建分级多孔碳。大孔可储存大量电解质离子，中孔提供进入电解质离子电极材料的低电阻通道，微孔可增加材料的比表面积，形成双电层。多类型孔结构碳的相互协作，可以克服微孔传质困难、微孔和大孔比表面积小的缺点，实现高效的微孔电容储能，它具有短离子传输距离、低传输阻力和高电荷密度的优点。因此，氮掺杂多孔空心碳材料的控制合成和性能方面的研究已成为当前的研究热点。

而本实验采用极性较大的杂原子（如N、O、P等）掺杂的碳材料，之所以选择氮掺杂是因为其结构与碳结构相似，较易掺杂进而改变碳材料的导电性能。

2、软模板法合成

目前，在控制合成具有氮掺杂多孔碳材料的过程中，模板法（硬模板和软模板）是最受人们喜爱的方法之一。

然而，以二氧化硅[4-6]、聚合物[7]等为主要代表的硬模板法，虽然在制备碳纳米材料结构方面发挥了重要作用，但繁琐的模板制备和去除工艺，给介孔碳材料的绿色制备和原子经济性合成增添了一定困难，但同时除了多步合成过程难以获得目标产物的高产率以外，硬模板形貌的多样性缺乏也使得介孔中空碳结构形貌的可控制备受到很大的限制。相反，以两亲分子自组装形成的各类分子有序组合体如（微）乳液液滴[8]、胶束[9,10]、囊泡[11]、液晶

[12,13]等作为软模板，在分级结构多孔碳的制备中则体现出一定的优势。近年来，以经典的St?ber方法[14]延伸发展来合成多孔碳材料[8-10]备受人们关注，其中，它们常以商品化的CTAB和Pluornic系列为软模板。

离子液体在室温下是液体，因为阳离子和阴离子之间的体积差很大，离子和弱晶格能量之间的弱静电力。离子液体可以用来制备具有优良性质的碳材料作为