含氮纳米层次结构碳材料的可控制备及其超级电容器储能机理

针对碳基材料超级电容器能量密度低和不能充分发挥其高功率密度特性等关键问题。采用"MnO2反应性模板法"制备低维纳米聚苯胺；利用自组装合成技术、在无模板体系中，可控制备具有微观层次结构的微/纳米聚苯胺。采用所制备的含本征氮原子的微/纳米结构聚苯胺为碳前躯体，制备微观层次结构、氮原子基团结构与数量可控的含氮纳米层次结构碳材料，并对其进行优化的活化处理。解析聚苯胺自组装过程中微观结构的演变机制；探究含氮碳基材料微观组织结构、表面化学组成及其空间电荷层电子结构与其电化学性能的内在关系；研究含氮碳基材料中原子基团之间的相互影响；探索含氮碳基材料超级电容器电极的电荷传输规律；研制出双电层电容和准法拉第电容相叠加、高能量与高功率密度相协同的超级电容器含氮碳基材料。推进含氮碳基材料超级电容器的理论与应用研究的发展。实现提高超级电容器能量密度、优化电化学性能与性价比的研究目标。

超级电容器具有充放电速度快、功率密度大、长寿命和环境友好等优点，是极具前景的新型绿色能源装置。本项目旨在探索和发展新型微观结构的高性能超级电容器储能材料，解决电极材料面积比容量低、活性物质荷载量少、储能量及导电率低、综合电化学性能不佳等关键科学问题。.按项目计划进行了研究，并取得了一系列的研究成果：.(1) 以三组分缩聚方法制备出的三聚氰胺-酚-醛树脂为碳源、制备出氮原子掺杂的活性炭材料应用于超级电容器；研究了双电层电容与法拉第赝电容的协同作用机制。.(2) 以三聚氰胺酚醛树脂为碳源、分别采用ZnCl2和KOH为活化剂制备出锂离子电池负极碳材料，其比容量得到大幅度提升。.(3) 以电化学方法制备的聚苯胺为碳源、通过碳化和氮-氧混合气体活化制备出氮掺杂的超级电容器活性炭材料，在扫描速率为2mV s-1和6.0 mol L-1 KOH电解质中其比电容达到285 F g-1。.(4) 以无模板自组装聚合制备的聚苯胺管为碳源、制备出碳纳米管材料，由于其表面丰富的氮、氧原子基团，高的比表面积、大的空隙率、低的电阻率表现出优异的电化学性能。.(5) 以蔗糖和乙酸镍为原料、采用水热-浸渍-催化石墨化工艺制备出高度石墨化的碳纳米线团材料，所制备的样品是由10~25 nm的碳纳米线、通过卷曲和联结构成的碳纳米线团。所制备的样品在0.5 Ag-1电流密度下具有248 Fg-1的比电容。.(6) 通过原位的氧化还原反应制备出具有核-壳层次结构的多孔活性炭@ MnO2纳米复合材料应用于超级电容器。.(7) 将氢醌作为超级电容器的氧化还原电解质、大幅度提高了PANI/SnO2超级电容器的比容量。