随着社会的不断发展进步和人口的急速剧增，人类对于资源和能源的需求越来越大，使得能源枯竭成为迫切的问题。这也意味着开发新能源和可再生能源是当今世界必须解决的问题，于是，人们将目光转向到了电能，然而，传统的蓄电池在特殊应用领域存在局限性。因此，需要开发出高功率的储能装置来满足特殊应用领域的需求。
超级电容器，是介于传统电容器和充电电池之间的一种环境友好、无可替代的新型储能、节能装置，它既具有电容器可以快速充放电的特点[1]，又具有电化学电池的储能机理。与传统电容器相比，超级电容器具有高功率密度、长循环寿命、无污染、较宽的工作温度范围、用量大等特点[12]。
电极材料的性能决定了超级电容器的电化学性能。活性炭材料价格低廉、制备简单、电化学稳定性高，是最早应用于超级电容器的电极材料，一直以来是人们的研究重点之一。以活性炭作电极材料的超级电容器最早可以追溯到1957年，当时H.E. Becker[2]申请了第一个由高比表面积活性炭作电极材料的电化学电容器方面的专利。这被认为超级电容器发展的一个里程碑，标志着活性炭作为电极材料在超级电容器中的首次应用。2006年，刘希邈[3]等采用沥青焦为原料，制备了系列高比表面积活性炭作为超级电容器电极材料，用直流循环充放电、循环伏安及交流阻抗等表征方法比较了沥青焦基超级活性炭和日本可乐丽公司YP15活性炭的电化学性能。2010年,邢宝林等[4]论述了活性炭电极超级电容器的工作原理及活性炭物化性质对超级电容器电化学性能的影响。徐斌等[5]主要介绍了强碱化学活化制备活性炭电极材料、纳米CaCO3模板法制备介孔炭电极材料、碳纳米管阵列电极以及富含杂原子的多孔炭电极材料等，并对超级电容器用炭电极材料的发展趋势进行了评述。2015年，邢宝林等[6]以玉米芯为原料，采用KOH活化法制备超级电容器用活性炭。利用低温氮气吸附及恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等方法测定活性炭的孔结构及其用作电极材料的电化学性能。2017年，李雪芹[7]综述了超级电容器的工作原理并详细介绍了基于碳材料及其二元、三元复合体系的电极材料的研究进展。2021年，王冠等[8]采用石油焦为原料，利用NaOH化学活化法制备活性炭材料，并且组装成扣式电容器，对电容器进行恒电流充放电、循环伏安曲线以及交流阻抗等测试，分析其结果并对电容器的电化学性能进行了研究。
由于金属氧化物电极兼有双电层电容和10～100倍双电层电容的准电容，其比容量远远大于活性炭材料表面的双电层电容，而且使用寿命长(循环次数105～106)，维护简单，是一种新型、高效、实用的能量存储装置，引起研究者的广泛兴趣。因此，人们开始针对以金属氧化物为电极材料的超级电容器进行研究。1992年，Maxwell技术公司最早采用了以金属氧化物为电极材料的超级电容器并更名为“Boost Caps”的专利，这个专利涉及到了金属氧化物电解液层的设计，用于军事应用如激光武器和导弹制导系统。2008年，郎俊伟[1]以CoCl2·6H2O和氨水为原料，采用简单化学沉淀法合成出用于超级电容器的Co(OH)2电极材料，并通过热处理该Co(OH)2前驱体得到了用于超级电容器的CO3O4电极材料，系统研究了材料的结构、充放电机理、放电电流密度和热处理温度对材料比容量的影响。2014年，庄君霞等[9]采用液相沉淀法分别制备了Co3O4和Co3O4-NiO复合氧化物纳米材料，利用相关的分析测试手段对材料的晶型结构、形貌等进行了表征，对Co、Ni等过渡金属氧化物构成的电极材料进行了循环伏安、恒流充放电及交流阻抗等电化学性能测试。2018年，郑明波[13]对多级纳米结构过渡金属氧化物在超级电容器电极材料方面的合成方法、成分、结构和电化学性能。倪航[1]进行了系统的总结与评价。2020年刘万能等[10]利用MgCo2O4作为电极材料制备超级电容器，他们采用尿素水热法和低温煅烧处理工艺成功地制备出了由纳米片组合而成的三维MgCo2O4片层花状结构，该片层花状结构的MgCo2O4材料，表现出良好的循环稳定性。2021年，徐芳[11]创新性地在常温常压下快速合成Ni/Co-MOFs化合物及其磷化衍生物材料，并以此为电极材料构建了具有高能量密度、高功率密度、循环稳定性强的超级电容器储能器件。
尽管金属氧化物或水合金属氧化物（如氧化钌）及碳纳米管能产生极大的能量密度和功率密度，然而用这些材料制造的电容器成本要比其它材料高很多。因此，发展特征及性能有所改进的其它电极材料是下一步必要的工作。
而聚氯化铝（PAC）基电极材料则可以作为一个突破口。它在超级电容器领域理论上有着不可忽视的性能优势，具备高比电容，源于丰富的活性位点与优良的离子通道；能借助改性引入导电物质或优化结构来达成良好导电性；因结构稳定而拥有出色的循环稳定性；通过恰当改性可拓展工作电压窗口，加之原料环保、成本较低，利于规模化生产应用。
然而，当前在超级电容器方向对 PAC 的研究极少，尚处于起步与探索阶段，诸多理论优势还未得到充分的实验验证与开发。反观水处理领域，PAC 作为一种经典的絮凝剂[1]，一直以来都是研究的热点区域。但也这为我们提供了许多关于研究制备聚氯化铝（PAC）材料提供了可靠的参考与依据。
李凡修等[15]人总结出了聚氯化铝制备技术的研究进展。焦洪军[19]以粉煤灰为原料，进行了制备聚氯化铝的工艺研究；对传统的制备工艺进行了改进，增加了预处理活化步骤。通过正交试验来研究预处理比例、焙烧温度、酸溶时间、酸溶比例和酸溶温度这五个主要工艺参数对PAC产品性能的影响；通过氧化铝浸出率进行比较，进而确定最佳工艺参数。皮科武等[17]应用磁场与直流电解耦合的方法，研究其耦合作用对合成PAC的影响以金属铝板为阳极，金属铁板为阴极，0.1moL／L的 AlCl3 水溶液作电解液，应用与重力方向平行的外加磁场耦合直流电解法合成聚合氯化铝 （PAC）。刘莉等[21]以铝酸钙为原料，经碱溶、中和后制得活性很高的氢氧化铝凝胶，再经酸溶后制备出了高盐基度、高纯度的聚氯化铝。李文清等[22]归纳总结了5种主要的高纯聚氯化铝制备方法(直接合成法、净化法、电解法、凝胶法及热解活化法等)的研究进展及优缺点，指出了高纯聚氯化铝制备过程中存在的问题，最后展望了高纯聚氯化铝的发展趋势。
虽然PAC的制备方法很多，但只有酸解法和碱化法实现了工业化生产。尽管酸法普遍存在原料利用率低、酸雾大等缺点‚但工艺简单，投资少，而且由于产品具有较多的游离酸，在储存过程趋于与铝羟基络合物结合，能较好地阻止铝羟基络合物的进一步水解，产品稳定性好，是我国PAC溶液的主要生产方法；碱法则会在产品中残留较多的游离碱而使产品偏碱，在贮存过程中的铝羟基络合物趋于结合更多的羟基，趋于进一步水解和聚合致使产生部分氢氧化铝凝胶沉淀产品稳定性差。当前我国PAC溶液的生产方法基本上都属于酸法，但为了提高最终产品的盐基度，往往在反应结束后再增加一道碱调工序‚即利用纯碱、烧碱或其他碱溶液调节带有较多游离酸的聚铝原液来提高产品的盐基度。
虽然PAC在水处理领域具有较大价值，但是其应用范围相对局限。与之相比，PAC基电极材料在超级电容器领域的研究，不仅能够进一步提升 PAC 的高附加值利用水平，还将有效拓展其应用领域，为PAC的多元化发展开辟崭新的天地，使其在能源存储等前沿领域发挥关键作用，从而极大地增强 PAC 在市场领域中的影响力与竞争力。
因此，本项目旨在以氢氧化铝为原料，采用水热合成法获得改性聚氯化铝（PAC）基超级电容器电极材料，通过表面修饰、掺杂、调控PAC的形貌、结构及电化学性能，系统研究与分析不同掺杂元素、不同元素掺杂量等对改性聚氯化铝（PAC）基材料的影响机制，推进PAC基电极材料在超级电容器领域的研究，为新能源领域的应用提供精确数据支撑与理论依据，助力该领域技术发展与创新实践。
参考文献：
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