丁二酮肟与醋酸锌直接固相反应制备碳纳米材料及其电化学性能研究

发布时间：2020-10-17 02:11

　　 随着化石能源的不断消耗,人们将更多的目光投在新能源领域。碳基材料因为其化学稳定性高、导电性能好、价格低廉、来源广泛等优点被广泛的应用锂离子电池负极材料、钠离子电池负极材料以及超级电容器电极材料等能量储存领域。本论文通过丁二酮肟与二水合醋酸锌的直接固相反应,制备出氮掺杂的分级多孔碳纳米材料,该制备方法简便、节能、对环境友好,具有一定的普适性;所制备的碳材料具有独特的组分与结构,使其在锂离子电池及超级电容器的应用中表现出了优异的电化学性能。主要工作总结如下:(1)采用丁二酮肟和二水合醋酸锌为原料,通过直接低热固相反应法制备出前驱体,对该前驱体进行后续碳化等处理后可进一步制备氮掺杂的碳纳米材料这一目标产物。(2)通过两步法,即碳化热处理(900℃以下)及随后的酸刻蚀,将前驱体进一步转化为氮掺杂的多孔碳纳米材料(表示为NC-T-x,其中NC表示氮掺杂的碳,T为热处理前驱体的温度,x为制备丁二酮肟锌是所用的丁二酮肟与二水合醋酸锌的物质的量之比)。电化学性能测试表明,NC-800-2材料表现出了优异的电化学性能:当其作为锂离子电池负极材料时,在100 mAg-1的电流密度下,充放电循环了 50圈以后,仍可放出高达700 mAh g-1的可逆容量,这远远高于商业化石墨的理论比容量(372mAhg-1);当其作为超级电容器的电极材料时,在1000mAg-1的电流密度下,比电容为134 Fg-1,高于商业化活性炭材料。(3)通过一步法,即高温(900℃以上)热处理,将前驱体进一步转化为氮掺杂的多孔碳纳米材料。电化学性能测试表明,NC-900-2材料表现出了优异的电化学储锂性能:使用其作为锂离子电池负极材料时,在100mAg-1的电流密度下,充放电循环了 100圈以后,仍可放出高达500mAhg-1的可逆容量,高于商业化石墨的理论比容量。使用其作为超级电容器电极材料,表现出优异的超级电容器电极性能:在500 mA g-1的电流密度下,比电容为112 Fg-1,同样高于商业化活性炭材料。
【学位单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TQ127.11;TB383.1
【部分图文】：

图ｌ．ｌ锂离子电池工作原理示意图??锂离子电池的工作原理类似于“摇椅”，对于正极采用钴酸锂、负极采用石??墨的锂离子电池的机理如图１．１所示。正极与负极之间是电解质溶液，中间用隔??膜隔开。在对锂离子电池进行充电的时候，锂离子从正极脱嵌进经过电解质溶液??入负极当中；放电过程与之相反，锂离子从负极当中脱出，经过电解质溶液嵌入??正极。在整个充放电过程中，通过锂离子在正极与负极之间的脱出与嵌入，储存??了电化学能％??以最典型的锂离子电池为例，涉及的电化学反应如下所示：??正极：?ＬｉＣｏ〇２?＜?＞？?Ｌｉｉ－ｘＣｏ〇２?＋?ｘＬｉ＋?＋?ｘｅ＇??负极：?６Ｃ?＋?ｘＬｉ＋?＋?ｘｅ－?■＜?＞■?ＬｉｘＣ６??总反应：ＬｉＣｏ〇２＋６Ｃ?＜－－．?Ｌｉｉ－ｘＣｏ〇２?＋?ＬｉｘＣ６??４??

Ｙａｎｇ等人通过热解蔗糖，制备出具有不同孔径的多孔结构硬碳作为锂离子??电池负极材料，探讨了多孔结构对充放电性能及锂离子传输过程中的扩散动力学??的影响［１３］（如图１．３所示）。他们以蔗糖作为碳源，通过溶胶－凝胶模板法合成两个??典型的多孔碳（ＰＣ－１和ＰＣ－２），将未使用模板的相同碳源制备无模板的硬碳缩写??为ＨＣ作为对比。通过扫描电镜图，可以清楚地看到ＰＣ－１、ＰＣ－２具有疏松的层??状多孔结构。在对其电化学性能测试中发现，层状多孔碳在０．２?Ｃ的电流密度下??具有５０３．５?ｍＡｈ?ｇ－１的容量，即使在５?Ｃ的电流密度下，依然具有３３２．８?ｍＡｈ?ｇ－１??的容量。研宄表明，纳米多孔结构的硬碳有利于增强其电化学性能。??二氧化钛也是一种热门的嵌入／脱嵌型锂离子负极材料，适合于大批量的生??产，在１．５Ｖ的工作电压下显示出了优异的安全性和稳定性。并且，二氧化钛??的电活性高

（ｃ）不同电流密度下二氧化钛的电势容量图，（ｄ）在４００°Ｃ下锻烧的二氧化钛的倍??率性能图??图１．４是以锐钛矿型的二氧化钛为负极材料在锂离子半电池中进行得性能测??试。该材料通过尿素辅助水热法制备，在不同温度下锻烧得到的材料进行对比测??试Ｍ。从图１．４ａ可以看出，在不同温度下煅烧得到的二氧化钛材料的初始充电／??放电时电压特性：４００°Ｃ下煅烧得到的介孔二氧化钛充电容量为１６４?ｍＡｈ?ｇ－１，循??环８０圈后仍有１５４?ｍＡｈ?ｇ－１的容量，容量保持率高达９５％；?５００°Ｃ下煅烧的二氧??化钛比容量有所下降。可能原因是，随着温度升高，颗粒大小会增大，不利于其??储能。不同电流密度下的电压特性图及倍率图都显示出了良好的性能。??（２）合金／脱合金化材料??硅材料因为极高的理论比容量及在地球丰富的储量，有希望成为锂离子电池??碳负极材料的替代者。硅材料在锂离子电池负极中的储锂机制属于合金／脱合金??化机制，在锂化和脱锂期间，硅的体积变化非常大，这直接使得其循环寿命很短，??影响其商业应用Ｍ。目前研究的热点是将硅材料与其他材料复合
【参考文献】

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本文编号：2844116