超级电容器用煤基多孔碳改性研究进展

煤炭因其碳含量高、储量丰富及价格低廉,成为优质的多孔碳碳前驱体.以煤炭为原料制备超级电容器用多孔电极材料是实现煤炭高附加值利用的重要方向之一.通过调整孔结构、改善表面化学活性均能有效提高煤基多孔碳电极材料的电化学性能,其中调整孔径分布可利用物理活化和化学活化联合、模板法和化学活化联合以及不同化学活化剂联合3种方法.物理活化和化学活化联合法主要是通过水蒸气或CO2对KOH活化过程进行辅助,在得到大量微孔的同时获得一定量的介孔,并实现煤基多孔碳孔隙与润湿性的协同调控.模板法与化学活化联合则可在获得与模板剂相同孔结构的同时,通过KOH活化进一步造出丰富微孔,从而实现合理的孔径分布.除使用模板剂外,也可利用碳前驱体自身含有的大量杂质充当自模板.采用不同化学活化剂联合的方法也能实现孔结构的调节,如K+和Na+的离子尺寸不同,联合利用可得到不同的孔径分布;利用KC1在高温下的流动性,可以将KOH的中间产物带入更广范围和更深层次,从而实现微孔向介孔的转化.改善表面化学活性则可通过炭前驱体预氧化和引入杂原子2种方式.通过强酸或强氧化剂对原煤进行预处理,可以提高所制备碳材料的有机氧含量,增加活性位点并提高润湿性.通过掺杂剂掺杂可在碳材料中引入杂原子,其中应用最多的是N掺杂,所引入的含氮结构包括吡咯-N(N-5)、吡啶-N(N-6)、季铵-N(N-Q)和氧化-N(N-X)4种.此外,O、B、S和P也是常见的掺杂原子.另一种引入杂原子的方法是通过煤与生物质共碳化,此时生物质既充当碳源也充当杂原子源.杂原子掺杂可改善碳材料的润湿性、导电性和结构稳定性,并可产生一定量的赝电容.从以上方面综述了近几年来煤基多孔碳电极材料的研究进展,分析了不同改性方法的优缺点,并对目前研究存在的问题进行了讨论,对超级电容器用煤基多孔碳未来研究趋势进行了展望.