碳基纳米材料用作超级电容器电极材料的研究开题报告

1. 研究目的与意义

随着环境和能源问题的日益严峻，清洁能源和可持续的能量储存与转化装置成为了当今社会研究的热点。超级电容器作为一种高效、清洁的新型可持续能量储存装置，具有环境友好、高的功率密度、快速的充/放电速率和优异的循环稳定性等优点，因而在各相关领域有着举足轻重的发展前景。超级电容器从储能机理上主要分为，双电层型超级电容器、赝电容型超级电容器及结合双电层电容和赝电容的混合型超级电容器。超级电容器在储能过程中，电极材料及隔膜选择、电解液性质和封装等步骤都对电化学性能起重要的影响，其中电极材料对超级电容器电化学性能起着决定性作用。

双电层电容器主要是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列存储能量。对一个电极/溶液体系，会在电子导电的电极和离子导电的电解质溶液界面上形成双电层。当在两个电极上施加电场后，溶液中的阴、阳离子分别向正、负电极迁移，在电极表面形成双电层；撤消电场后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。这时对某一电极而言，会在一定距离内(分散层)产生与电极上的电荷等量的异性离子电荷，使其保持电中性；当将两极与外电路连通时，电极上的电荷迁移而在外电路中产生电流，溶液中的离子迁移到溶液中呈电中性，这便是双电层电容的充放电原理。双层电容可做成活性碳电极材料，碳纤维电极材料，碳气凝胶电极材料，碳纳米管电极材料等。

赝电容型超级电容器主要是通过赝电容准电容活性电极材料（如过渡金属氧化物和高分子聚合物）表面及表面附近发生可逆的氧化还原反应产生赝电容准电容，从而实现对能量的存储与转换。其理论模型是由conway首先提出，是在电极表面和近表面或体相中的二维或准二维空间上，电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的化学吸脱附和氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。对于赝电容准电容，其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储，而且包括电解液离子与电极活性物质发生的氧化还原反应。当电解液中的离子在外加电场的作用下由溶液中扩散到电极/溶液界面时，会通过界面上的氧化还原反应而进入到电极表面活性氧化物的体相中，从而使得大量的电荷被存储在电极中。放电时，这些进入氧化物中的离子又会通过以上氧化还原反应的逆反应重新返回到电解液中，同时所存储的电荷通过外电路而释放出来，这就是赝电容准电容的充放电机理。

2. 研究内容和预期目标

本论文拟以氢氧化锌和2-已基咪唑为原料合成MOFs材料，再以合成出的MOFs为模板通过高温煅烧的方式制作多孔碳，研究多孔碳构建超级电容器的性能，改变碳化温度和时间制作不同孔径分布的多孔碳，选出最优的制作方案，选出效率最高的超级电容器电极材料。

3. 研究的方法与步骤

1.本论文中maf-5的制备按照文献方法^[17]。将1.153 g (12 mmol)2-乙基咪唑溶于18 ml甲醇中，并加入2.2 ml环己烷（3.25 %，v/v）。另取一个烧杯称取0.594g (6 mmol) zn(oh)₂，加入75 ml氨水搅拌10 min后快速滴入2-乙基咪唑甲醇溶液（时间约为3-5 min），在室温下搅拌反应2-3 h。完成搅拌后将溶液进行离心过滤，8000 r/min，15 min，用甲醇洗涤3次后放入烘箱80℃烘干，得到白色粉末样品

2.将maf-5样品放入真空干燥箱中，在真空情况下150℃活化12 h，均匀的撒入石英皿中，另取等量maf-5样品不经过12 h活化直接撒入另一石英皿中，将两个石英皿同时放入管式炉中，并在n₂的保护气氛下进行煅烧。实验进行初期，选取在1000℃条件下保温5 h，但在升温程序结束之后，石英皿中却无样品残留；下一次进行温度尝试时，选取在600℃条件下保温5 h，石英皿中有样品残留，但颜色为白黄色，并无碳生成；之后选取升温至800℃而后保温5 h，将升温降温速率都控制在5℃/min，最后得到深灰色粉末。活化后煅烧的样品记为hpc800-1，未活化煅烧的样品记为hpc800-2

3.本论文以泡沫镍作为集流体，乙炔黑作为导电物质，聚四氟乙烯乳液（ptfe）作为粘结剂制备电极片，具体步骤如下：

4. 参考文献

5. 计划与进度安排

1 (第一周) 接受任务，查阅论题相关文献，进行资料收集，了解论题所研究的背景以及研究目的，拟好开题报告的大纲。

2（第二－三周） 按照大纲开始编写开题报告，细化实验步骤并完成开题报告，同时开始英文文献的翻译工作，进入实验室检查药品以及仪器是否齐全，为毕业实验做好准备工作。

3（第四－十三周） 开始毕业论文实验，按方法步骤依次合成mofs、多孔碳，对这些材料进行电化学分析，并详细记录和及时处理合成分析过程中所得到的数据和图表。