有序介孔炭（Ordered Mesoporous Carbon，OMC）材料由于其结构、形貌、组分上的多样性以及不仅具有高的比表面积、大的孔容和均一的孔径分布特点，还具有很好的热稳定性，良好的导电性，高的机械强度和良好的化学惰性等特点，是有望取代活性炭和碳纤维的超级电容器材料 ^[10，11] 。

介孔炭的合成方法包括有机凝胶碳化法、催化气化法和模板法。催化剂活化法是指利用金属或者金属化合物对碳物质或者碳前驱体进行催化气化，得到多孔的碳材料 ^[12] 。有机凝胶法是指将溶胶—凝胶法制备的有机凝胶进行碳化，从而得介孔碳材料。催化剂活化法和有机凝胶碳化法都存在共同的缺点，得到的介孔炭的孔道结构、尺寸和孔径分布无法精确控制，而模板法由于能够精确控制孔径尺寸及其分布，并且能够合成出具有规整孔道结构的介孔炭材料，所以近年来被广泛应用于有序介孔炭的制备中。

2.4.1 有序介孔炭的制备

称取5.0g的F127溶解在20g去离子水与16g无水乙醇的混合溶液中，在磁力搅拌下，逐滴缓慢加入0.4g盐酸（37wt%）和3.3g间苯二酚。室温下搅拌2h，溶液变成淡黄色，在磁力搅拌下逐滴缓慢加入4.9g甲醛溶液（37wt%），继续搅拌5h。将溶液在暗室中静置72h，有明显的分层。上层为无色透明溶液，下层为乳白色黏稠物。倾出上层清液，85℃烘干下层黏稠物，72h得到淡黄色固体产物。将产物置于管式炉中，在氮气保护下以1℃/min的升温速率从室温升至850℃并保持3h，然后球磨10h，得到介孔炭。

2.4.2 电极制备和性能测试

将所制得有序介孔炭去离子水反复冲洗，使用全方位行星式球磨机（QM-QX04，南京大学仪器厂）球磨2h。然后将处理的有序介孔炭和石墨按照9∶1质量比例混合，用玛瑙研钵研磨60min，使其充分混合，加入无水乙醇调成浆，用超声波振荡30min使其进一步混合均匀，加入适量的聚四氟乙烯作为黏合剂。用辊轧机将电极用12MPa的压力压制到泡沫镍网集流体上，然后切割成1cm×1cm的正方形工作电极片，在80℃下烘干至恒重待用。

电极材料XRD图谱采用日本Mac M18 ^ce 型衍射仪表征，测试环境：Cu α 辐射（ λ =1.5418Å），扫描速度为10°/min，扫描范围2 θ =5°～90°，管电流100mA，管电压40kV。微观形貌的表征采用透射电子显微镜（TEM，Philips Tecnai G ² 20，工作电压为200kV）以及扫描电镜（SEM，JEOL JSM-5600LV，工作电压为15kV）。恒流充放电、循环伏安和交流阻抗特性测试采用三电极体系，其中电解液选取3mol/L的氢氧化钾（KOH）溶液，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，铂片（Pt）为辅助电极。上述实验均使用CHI608A型电化学工作站（上海辰华仪器公司）进行测试。

2.4.3 实验结果与讨论

图2-12所示为有序介孔炭的XRD图谱。由图可知，在22.62°和42.96°对应于石墨化结构的（002）和（100）晶面的衍射峰，无杂质峰出现。除了在2 θ =22.62°处有一强峰外，其余的衍射峰强度都较小，半峰宽较大，表明晶化程度较小，研究表明此种材料适合用于超级电容器材料。

图2-13所示为有序介孔炭的SEM图，由图可知，样品为大小基本相同的颗粒结构，粒径大小约为10μm。

图2-14所示为有序介孔炭的TEM图。TEM显示碳壁为10nm，呈现有序孔状的结构。有序介孔炭横截面显示出良好的介孔结构，孔道有序性好。这种有序的介孔结构有利于电解液的扩散，适合于超级电容器电极材料。

在不同电流下进行恒流充放电实验，设定充放电电压范围为-1.0～0V，充放电电流分别为5mA、8mA和10mA，充放电曲线如图2-15所示。由图可知，单次充电和放电曲线具有良好的可逆性，曲线两边基本对称，时间与电压具有近似线性关系。电极材料在5mA下充放电曲线具有良好的线性，自放电电流比较小，且放电初始无明显电压降，说明电极材料内阻小，有理想的电容性能。在电流为5mA、8mA和10mA时电极材料的比容量分别为116.5F/g、108.5F/g和107.8F/g。

图2-16所示为有序介孔炭电极的阻抗特性曲线，测试频率范围为0.1～100kHz，振幅为5mV，起始电压为0V。由图可知，ESR为0.475Ω，在高频区出现了一个明显的半圆弧，说明存在电荷传递电阻和Warburg阻抗。高频区的半圆弧小，表明电极和电解液界面的电荷转移电阻很小；在中频区为一段接近45°的斜率，这与电荷转移阻抗相关；在低频区近似一条垂直的直线，显示出良好电容特性。

图2-17所示为有序介孔炭电极的循环伏安曲线，扫描速度分别为2mV/s，5mV/s，8mV/s，10mV/s，20mV/s，电位区间为-1.0～0V（与SCE相比），电解质为3mol/L的氢氧化钾溶液。由图可知，曲线显现出比较典型的电容特征。时间常数（电容和电阻的乘积）决定电位转换时的陡峭程度，当扫描方向改变时电极表现出快速的电流响应，并迅速处于稳定状态，说明其内阻小， RC 时间常数小，适合大电流工作。这主要是由有序介孔炭材料规则的结构和交错的空间通道所决定的，氢氧化钾溶液中的电解质离子可以在空隙中较为自由地运动，快速形成双电层，减小了超级电容器的内阻。上述扫描速度下对应的比容量分别为160F/g、145F/g、130F/g、120F/g、110F/g。

图2-18所示为有序介孔炭电极的循环性能，测试条件是当电流为10mA时，对样品电极进行500次恒流充放电。由图可知，随着循环次数的增加，电容量有微弱的衰减。因为在循环初期，有序介孔炭的表面官能团会分解，从而消耗部分电容量；其次随着循环次数的增加，电容器温度升高也会引起电容量的减小，引起部分脆弱的孔道破换，同时温度的增加，进一步加剧了表面官能团的分解。容量保持率可以用来衡量碳材料传输离子的能力，容量保持率越大，则材料传输离子的能力越强。

经过计算，在电流为10mA时，初次充放电比容量为125F/g，随着循环次数的增加，比容量逐步减小，达到450次循环后容量稳定于113F/g（容量保持在90.5%以上）。有序的孔道使离子传输能力更强，离子传输阻力更小，有利于提高电极材料的性能。 BHfjax2GN8qIKdznA6OtILgGebA+ATYXu4DjcVWvx1pfHims9uQGiMtt7lv6RWcy