1. 研究目的与意义（文献综述）

随着人类科技和世界经济的飞速发展，对能源的需求越来越大，普通化石燃料余量不足以及其带来的环境污染问题日渐严重，清洁、高效的能源的生产和储存技术就显得越发的重要。电池、电化学电容器作为高效且环保的能源储存和转化装置，在近些年被广泛的应用。电化学超级电容器由于具有高功率密度、良好的循环性能和对环境友好等特点^[1,2]已经引起了研究者的重视和关注。最早的电化学电容器专利被申请在1957年。然而，直到1990年电化学电容器在混合动力汽车领域才引起关注。电化学电容器的一种功能是在混合电动装置上促使电池或燃料电池在加速时提高必要的功率，^[3，4]另一个功效是恢复制动能量。由于意识到了电化学电容器的发展前景，美国能源部已经将电化学电容器作为未来能源存储系统^[5] 。但是，电化学电容器仍然面临着巨大的考验，在电化学电容器能量密度方面进行改进，将会加速电池和燃料电池能源汽车的发展和商业化。^[6]. 为了克服能量密度低的缺点，最有效的方法是开发一种新的电化学电容器的电极材料，现在最广泛使用的是碳材料，因为碳材料具有高的比表面积、高电导率，但尽管其比表面积很大，在多孔电极层的碳粒子上物理电荷的存储还是不幸地被限制。必须通过添加电化学活性材料到碳基材料的电极层中，用电化学活性物质完全或部分取代多孔碳材料。^[7]多孔碳通俗来说是指具有不同孔径结构的碳材料，其孔径可以根据实际需要（如所吸附分子尺寸等）进行调控，使其尺寸处于一定比例的纳米级微孔至微米级大孔之间。多孔碳具有碳材料的性质，如化学稳定性高、导电性好、价格低廉等优点，同时，孔结构的引入使其同时具有比表面积大、孔道结构可控、孔径可调控、质量轻、韧性高、易于加工等优良性能的特点。超级电容器尽管其能量密度比较低，但是它功率密度高、充电时间短、循环性能好，因此在一些装置中应用广泛。由于单一二次电池和电容器都不能同时提供高能量密度和功率密度，因此一个混合系统，其一极是电池电极，另一极是电化学电容电极^[8,9] 。这不同于传统的电化学电容器，传统的电化学电容器是通过非法拉第双电层储存电荷，混合装置一极是法拉第可充电电池电极，如镍氢、二氧化锰、嵌锂碳电极等。另一极是双电层碳电极。这一装置将比传统双电层电容器有更高的能量密度，比可充电电池有更高的功率密度。近年来对碳电极的研究主要集中在提高碳材料的比表面积和控制碳材料的孔径上面，主要有：活性碳材料、多孔碳材料、活性碳纤维以及碳纳米管等。碳电极材料是目前应用最广泛的电极材料，但是它的成本过高，占到产品总成本的 30%以上，这直接导致了超级电容器成本过高，所以在一定程度上限制了超级电容器的应用推广，所以寻找和研究廉价的电极材料是目前超级电容器研究的重点。^[10] 在20世纪80年代末，科学家发现了一些具有纳米尺寸的新型碳材料--碳纳米管^[11],近期研究发现碳纳米管作少量添加剂，可以使活性炭中20～30 nm的介孔转变为具有高表面的微孔，从而改善其性能^[12]。为了获得更高的能量密度，超级电容器装置的容量将会衰减，循环性也将会受到限制。这是由于所有的活性电池材料都会有不可逆反应存在，包括电解液的不可逆反应、结构的变化及在循环过程中嵌锂碳电极表面sei膜的形成。为了解决这一问题，一种新型的嵌氢型混合电容器近来被报道^[13]。在这个混合装置中，电化学双电层电极与嵌氢型电极相结合。在充电过程中，水分子从电极上得到一个电子，生成氢原子吸附在电极表面，继而嵌入电极的孔中。^[7]目前部分超级电容器已经得到了商业化^[14]，在油气混合动力汽车、纯电动汽车、车辆低温起动、轨道车辆能量回收、电动叉车、大型起重机、太阳能和风能等领域得到了具体的应用。近年来随着人们对超级电容器在计算机内存备用电源 ups 和低频滤波器上应用的认识不断提高，超级电容器的发展水平也迅速提高，目前，超级电容器逐步进入电动汽车用电容器-锂离子电池混合动力电源系统和低温功率辅助启动系统中。在国内，随着超级电容器技术的日益成熟和对购买新能源汽车补助政策的实施，超级电容器-锂离子电池混合动力汽车将迎来更加广阔的发展机遇，锂离子电池为电动汽车提供持续动力，而超级电容器在启动和爬坡阶段提供强大动力，并且在下坡和刹车时快速储备动力，二者协同工作为混合动力汽车提供动力。^[10] 随着新能源汽车、智能穿戴设备等的普及，超级电容器若要扩展其应用领域，降低成本、提高能量密度是下一步发展的重要目标，而制约超级电容器性能和成本的电极材料仍将是未来研究的重点。

2. 研究的基本内容与方案

^{2.1研究基本内容}

利用多面体低聚倍半硅氧烷（polyhedral oligosilsesquioxane ，poss) 作为模板剂和碳源，酚醛树脂为交联剂与碳源，合成表面氮掺杂的单一尺度微孔碳材料，利用电化学方法研究氮掺杂单一尺度微孔碳材料在水相中的电化学嵌氢、氢析出以及电化学储氢的行为。

2.2目标：找出氮掺杂的单一尺度微孔碳材料电化学电容器电极中应用的发展前景。

2.3拟采用的技术方案及措施：

3. 研究计划与安排

第1——3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需实验进程。确定方案，完成开题报告；

第4——8周：合成表面氮掺杂的单一尺度微孔碳材料。然后对所合成材料进行表征；

4. 参考文献（12篇以上）

[1,2]winter m, brodd r j. what are batteries, fuel cells, and supercapacitors. chemical reviews,2004,104(10):4245-4269.

[3]faggioli e, rena p, danel v, et al. supercapacitors for the energy management of electric vehicle. journal of power sources,1999,84(2):261-269.

[4] burke, a. j. power sources 2000, 91, 37. doi: 10.1016/s0378-7753(00)00485-7