超级电容器作为一种具有高功率密度和超长时间安全稳定循环寿命的电化学能源储存设备被广泛关注。但是,传统的超级电容器无法提供足够高的能量密度。 超级电容器根据电极材料表面电荷存储机理不同可以分为双电层电容和赝电容。电极材料是超级电容器的电化学性能的关键影响因素之一,具有高功率密度和能量密度的新型超级电容器电极材料的研究对其推广应用具有非常重要的意义。
三维结构电极材料可以提供高的比表面积和多级孔结构,有利于电解液离子扩散传输,而具有高导电性的电极材料可以加快电子的传递,从而增强超级电容器性能。本文通过不同的低成本制备方法合成具有三维结构的双电层电容多孔碳材料和赝电容过渡金属化合物材料作为超级电容器电极,并且系统地研究了所制备电极材料的结构、组成与其超级电容器性能之间的关系。
污水处理方法本论文的主要研究内容如下:（1）剩余污泥是生物法处理废水后产生的大量有毒副产物,经过简单的化学活化法可制得氮掺杂多孔碳材料。多孔碳材料具有大的表面积,约为940 m<sup>2</sup>/g和较大的孔隙体积,约为3.14 m<sup>3</sup>/g。
而且,该衍生氮掺杂多孔碳中的氮原子主要是以吡啶氮和吡咯氮结构存在。氮掺杂多孔碳材料可以提供低电子转移电阻和较短的离子扩散路径。
电化学测试结果表明该氮掺杂多孔碳材料在1 mol/L的H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>电解液中,当电流密度为1 A/g时的比电容可高达247 F/g,且经过10000次循环充/放电测试显示了出的稳定性。本研究工作提供了一种低成本和可大规模生产的合成路线制备氮掺杂多孔碳超级电容器电极材料。
（2）通过溶剂热法和冷冻干燥将超薄MoO<sub>3</sub>纳米晶体组装到三维氧化石墨烯框架上制备三氧化钼/石墨烯气凝胶复合物电极（MoO<sub>3</sub>-GAs）。超薄MoO<sub>3</sub>纳米晶体与石墨烯界面通过氧键相互作用形成三明治层状结构。
三自由度摇摆台由于超薄MoO<sub>3</sub>纳米晶体充分暴露提供了丰富的活性位点,而且三维石墨烯可以加快离子扩散和电子传输。电化学测试结果显示MoO<sub>3</sub>-GAs表现出高比电容和优异的循环稳定性。
在1 mol/L的H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>电解液中,1 A/g时比电容为527 F/g,且10000
次循环稳定性测试后电容保持100%。使用H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>/PVA固体电解液组装的全固态超级电容器,在1 A/g时比电容可达373 F/g,5000次循环稳定性测试后电容保持100%,显示出良好的实际应用前景。
果树防虫网（3）在本研究中,成功地证明了一种普遍有效的磷化方法可以提高各种过渡金属氧化物或氢氧化物的超级电容器性能,如Ni（OH）<sub>2</sub>、Co（OH）<sub>2</sub>、MnO<sub>2</sub>和Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>。例如,以Ni（OH）<sub>2</sub>纳米片阵列为前驱体,进行简单的磷化处理后成功制备了具有三维网络结构的Ni<sub>2</sub>P纳米片/泡沫镍。隐框窗
在6 mol/L KOH电解液中,Ni<sub>2</sub>P纳米片/泡沫镍电极在50 mV/s的扫描速率下可获得2141 F/g的比电容,且当电流密度为83.3 A/g时,其比电容仍高达1109 F/g,远远超过了所合成Ni（OH）<sub>2</sub>纳米片/泡沫镍电极的性能（50 mV/s时比电容为747 F/g）。此外,在10 A/g的高电流密度充放电循环5000圈后,Ni<sub>2</sub>P纳米片/泡沫镍电极比电容保持在1437 F/g,同样远高于同等条件下Ni（OH）<sub>2</sub>纳米片/泡沫镍电极。
出的超级电容器性能可归因于Ni<sub>2</sub>P纳米片/泡沫镍电极的三维多孔结构,Ni<s
ub>2</sub>P的高导电性和丰富的价态变化。而且,由Ni<sub>2</sub>P纳米片/泡沫镍和氮掺杂多孔碳分别为正负极材料组装的不对称超级电容器器件的稳定操作电压区间为1.4 V,最高比电容为96 F/g,最大能量密度为26 W h/kg,显示了极大的实际应用潜力。
