基于氮化碳复合材料的透明电极制备及应用
发布时间：2021-08-23 09:29
随着环境污染不断加剧,石油燃料资源日渐枯竭,对新能源的开发和对环境的保护成为人们关注的主要问题,寻求高效的、绿色的能量储存设备备受关注。超级电容器作为介于二次电池和传统电容器之间的储能器件,具有众多优点。超级电容器具有高功率密度、可以进行快速充放电、具有长的循环寿命,是一种绿色清洁的新能源储存设备。决定超级电容器性能的一个重要组成部分就是超级电容器的电极材料,随着可穿戴技术的不断发展,透明和柔性的超级电容器成为未来电子产品的热门。石墨相氮化碳作为最古老的聚合物,同时也被认为是最稳定的同素异形体,制备方法简便且对环境无污染。本文以g-C3N4纳米线材料为基础,制备电化学性能良好的透明复合电极材料。主要工作如下:（1）以尿素为原材料制备g-C3N4,通过使用碱溶液对块状的g-C3N4进行剪切,使其微观形貌成为纳米线状,形成导电网络结构。并以聚乙烯醇（PVA）作为成膜骨架,通过简单的真空抽滤得到透明的超级电容器电极,由此制备的电极除了具有较好的电化学性能,面积电...
【文章来源】：长春工业大学吉林省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）双电层电容（b）赝电容电容
由二维（2D）石墨烯片或三维（3D）多孔石墨碳支撑。g-C3N4的结构可以通过多种合成途径来控制，包括不同的缩合温度，不同的前驱体比例，通过软/硬模板诱导，以及剥离和掺杂。g-C3N4可以通过热聚合富含氮且无氧的化合物前体制成，这些化合物前体包含预键合的CN核结构（三嗪和庚嗪衍生物），例如尿素，三聚氰胺，双氰胺，氰胺，硫脲，氯化胍等。尿素前体可在约550℃转化成g-C3N4。C3N4粉末在可见光下通常为黄色。聚合之后的g-C3N4在600℃以上的温度下会不稳定。一旦温度超过700℃以后，g-C3N4会生成氮和氰基。图1.2g-C3N4的两种化学结构（a）三嗪为结构单元（b）三-s-三嗪为结构单元1.3.3g-C3N4的微观形貌块状g-C3N4：块状的g-C3N4可以通过在400-600℃之间热缩合各种前体来合成，例如氰胺，双氰胺，三聚氰胺，硫脲和尿素。例如，由氰酰胺通过加成和缩聚反应合成g-C3N4。氰酰胺分子分别在203和234℃下缩合成双氰胺和三聚氰胺。接着除去缩合的双氰胺，通常所有的三聚氰胺都是在335℃出现，并且通过进一步缩合单元，g-C3N4在520℃合成。在煅烧过程中，颜色会发生变化，从白色（前体）变成浅黄色。通过这种方法获得的g-C3N4通常具有较低的表面积和较差的水溶性[12,13]。使用尿素用马弗炉在450℃-600℃的温度下，以每分钟15℃的加热速率合成的片状g-C3N4具有高比表面积和高孔隙率。在热处理过程中，低温下产生的NH3和高温下产生的CO2对于g-C3N4的多孔结构起着主导作用。
3.2.2 g-C3N4 NWs 及其复合透明导电薄膜的制备 首先，将 200 mg PVA 加入到去离子水中，并加热到 85℃保持 1 小时，PVA溶解后变澄清溶液。然后，在搅拌条件下加入 g-C3N4 纳米线水凝胶，继续搅拌一小时使 PVA 溶液和 g-C3N4 纳米线水凝胶混合均匀。通过真空抽滤将混合溶液通过滤膜（孔径 220 nm，水系滤膜），溶液缓缓倒入抽滤装置，以避免产生气泡。经过几小时的抽滤后，混合液在滤纸上形成一张薄膜，使其在空气中干燥，然后将膜从过滤器下剥离下来，通过丙酮剥离的方法得到透明的薄膜。为了比较不同的透光率和电化学性能，通过相同的程序制备了具有不同 g-C3N4 质量负载的薄膜。用相同的方法制备 g-C3N4/PVA/PEDOT:PSS 膜。
本文编号：3357613
【文章来源】：长春工业大学吉林省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）双电层电容（b）赝电容电容
由二维（2D）石墨烯片或三维（3D）多孔石墨碳支撑。g-C3N4的结构可以通过多种合成途径来控制，包括不同的缩合温度，不同的前驱体比例，通过软/硬模板诱导，以及剥离和掺杂。g-C3N4可以通过热聚合富含氮且无氧的化合物前体制成，这些化合物前体包含预键合的CN核结构（三嗪和庚嗪衍生物），例如尿素，三聚氰胺，双氰胺，氰胺，硫脲，氯化胍等。尿素前体可在约550℃转化成g-C3N4。C3N4粉末在可见光下通常为黄色。聚合之后的g-C3N4在600℃以上的温度下会不稳定。一旦温度超过700℃以后，g-C3N4会生成氮和氰基。图1.2g-C3N4的两种化学结构（a）三嗪为结构单元（b）三-s-三嗪为结构单元1.3.3g-C3N4的微观形貌块状g-C3N4：块状的g-C3N4可以通过在400-600℃之间热缩合各种前体来合成，例如氰胺，双氰胺，三聚氰胺，硫脲和尿素。例如，由氰酰胺通过加成和缩聚反应合成g-C3N4。氰酰胺分子分别在203和234℃下缩合成双氰胺和三聚氰胺。接着除去缩合的双氰胺，通常所有的三聚氰胺都是在335℃出现，并且通过进一步缩合单元，g-C3N4在520℃合成。在煅烧过程中，颜色会发生变化，从白色（前体）变成浅黄色。通过这种方法获得的g-C3N4通常具有较低的表面积和较差的水溶性[12,13]。使用尿素用马弗炉在450℃-600℃的温度下，以每分钟15℃的加热速率合成的片状g-C3N4具有高比表面积和高孔隙率。在热处理过程中，低温下产生的NH3和高温下产生的CO2对于g-C3N4的多孔结构起着主导作用。
3.2.2 g-C3N4 NWs 及其复合透明导电薄膜的制备 首先，将 200 mg PVA 加入到去离子水中，并加热到 85℃保持 1 小时，PVA溶解后变澄清溶液。然后，在搅拌条件下加入 g-C3N4 纳米线水凝胶，继续搅拌一小时使 PVA 溶液和 g-C3N4 纳米线水凝胶混合均匀。通过真空抽滤将混合溶液通过滤膜（孔径 220 nm，水系滤膜），溶液缓缓倒入抽滤装置，以避免产生气泡。经过几小时的抽滤后，混合液在滤纸上形成一张薄膜，使其在空气中干燥，然后将膜从过滤器下剥离下来，通过丙酮剥离的方法得到透明的薄膜。为了比较不同的透光率和电化学性能，通过相同的程序制备了具有不同 g-C3N4 质量负载的薄膜。用相同的方法制备 g-C3N4/PVA/PEDOT:PSS 膜。
本文编号：3357613
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