纳米炭黑的氧掺杂与孔隙构筑及其超级电容行为研究

发布时间：2020-05-19 10:14

【摘要】：超级电容器以超高的功率密度、超长的循环寿命以及快速的充放电速度一直备受人们的关注。而电极材料是影响超级电容器性能的最主要的因素,并且得到众多研究者的高度重视。目前,作为超级电容器电极材料主要有碳材料、金属氧化物和导电聚合物。而碳材料以低成本、良好的导电性、安全环保等优势成为研究热点。便携式电子产品的迅猛发展迫切需要体积小但容量大的超级电容器。球形纳米炭黑拥有高的堆积密度,作为电极材料应用于小体积超级电容器具有独到优势,但其自身存在比电容偏低的问题。为此,本论文以价格低廉的纳米炭黑为研究对象,力图通过对其表面氧掺杂、孔隙构筑以及与其它材料复合处理等,获得电化学性能优异的电极材料。本论文的主要工作及结果如下:以平均粒径为30 nm的球形炭黑(CB)为对象,构建具有致密结构的超级电容器电极材料。本文首先采用KOH对CB进行活化处理,然后对其进行氧化掺杂处理得到氧掺杂纳米炭黑(DCB),并系统研究分析所制备DCB的比表面积和孔隙结构对其电化学性能的影响。实验结果表明:纳米CB经过氧化掺杂之后,其总的比表面积(从250.15 m~2 g~(-1)降低到234.86 m~2 g~(-1))和孔体积(从0.816 cm~3 g~(-1)减小到0.416 cm~3g~(-1))均有所降低,但在5 mV s~(-1)的扫速下的质量比电容却从11 F g~(-1)(原始CB)提高至233 F g~(-1)。更重要的是,氧掺杂使纳米碳球之间的堆积更紧密,DCB的体积比电容达到253 F cm~(-3)。此外,DCB也表现出优异的循环稳定性,即使在5000次循环之后,其比电容仍能保持在92%以上。由于其在规模化生产和低成本方面的优势,氧掺杂的纳米炭黑作为高体积比容量超级电容器电极材料,具有巨大的应用潜力。针对氧掺杂纳米炭黑比表面积过低,无法为电解液离子提供更多吸附空间的问题,本文采用KOH活化结合插层膨化法对炭黑进行处理,以提高其比表面积,并且分析研究一次膨化与二次膨化处理对炭黑结构及电化学性能的影响。结果表明:膨化处理可使纳米炭黑比表面积明显提高,一次膨化的纳米炭黑(CBP-1)和二次膨化的纳米炭黑(CBP-2)的比表面积分别为996.34 m~2 g~(-1)和1126.51 m~2 g~(-1),均高于原始CB的250.15 m~2 g~(-1),并且材料的总孔体积也有明显提高。在5 mV s~(-1)的扫速下,CBP-2的比电容为234 F g~(-1),高于CBP-1的比电容(162 F g~(-1)),其原因应该与二次膨化比一次膨化可获得更高的比表面积和发达的孔结构有关。同时,CBP-2在10000次循环之后,其比电容保持率为93.5%,表现出良好的循环寿命。为制备出性能更优异的超级电容器电极材料,本文将石墨烯纳米片(GNP)与CBP-2按不同质量比进行复合,制备出CBP-2/GNP复合材料。结果表明:CBP-2进入GNP层间有效阻止了GNP层间堆叠,从而为电解液离子的快速传输提供更多通道。CBP-2/GNP复合材料在5 mV s~(-1)的扫速下比电容为144 F g~(-1),但其循环伏安曲线在5 V s~(-1)的高扫速下仍能保持类矩形形状,表现出优异的功率特性。同时,CBP-2/GNP复合材料在10000次循环之后,比电容仅衰减1.5%,表明其同时拥有极佳的长循环稳定性。
【图文】：

别以金属氧化物的氧化/还原反应为基础或以有机半导体离子为基础，产生与电极充电电位有关的电容[39]。赝电的内部，也可以产生在材料的外部，故其中存在双电层的容量要远高于双电层电容器，从几十到几百倍不等。在化学反应而导致其功率特性和循环稳定性差[40]，限制超级电容器，研究者致力于提高超级电容器的能量密度，有效途径电容器体系，，即其中一个电极材料用的是活性炭，而另料或电池电极材料，其能量密度是通过提高电容器的工超级电容器具有电池和双电层电容器的特性，因此，其器和法拉第准电容器[41]。目前，人们把更多的目光放在容器的结构

第 2 章 实验材料和方法本论文的X射线光电子能谱分析是在Thermo Fisher K-Alpha 型分析仪上进行测试分析的，从 XPS 分析结果可以知道元素组成、元素的含量以及元素的化学价态等。6、傅里叶红外光谱（FTIR）分析红外光谱分析能够确定分子中的官能团等信息。本论文用到的红外分析仪器是E55＋FRA106 型傅里叶红外光谱仪，测试时其扫描波长范围在 400~4000 cm-1之间。7、低温氮气吸附-脱附（BET）分析本论文中 BET 分析是美国麦克仪器公司生产的型号为 ASAP 2020 型气体吸附脱附仪。8、电导率测试材料的电导率测试采用的是苏州晶格电子有限公司生产的 ST-2722 型半导粉末电阻率测试仪，其测试样品为粉末状，在 5 Mpa 的压力下把样品压成片状进行测试。2.4.2 材料的电化学性能测试
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM53;TB33

【参考文献】

相关期刊论文 前3条

1 刘海晶;夏永姚;;混合型超级电容器的研究进展[J];化学进展;2011年Z1期

2 吕进玉;林志东;;超级电容器导电聚合物电极材料的研究进展[J];材料导报;2007年03期

3 王晓峰,孔祥华,刘庆国,解晶莹;氧化镍超电容器的研究[J];电子元件与材料;2000年05期

本文编号：2670737