Mn 3 O 4 纳米晶/含氮多孔碳电极材料制备及其超级电容器性能

发布时间：2022-12-04 22:12

　　目前,超级电容器存在的主要问题是其能量密度过低,不能满足实际应用的需求。因此,如何在提高超级电容器能量密度的同时不牺牲其功率密度和循环寿命,是当前亟需解决的问题。本论文首先以提高电极材料的比容量为目标,通过孔结构和形貌调控实现电极材料性能的最优化,制备了高比容量的含氮多孔碳材料、Mn₃O₄纳米晶和Mn₃O₄纳米晶/多孔碳复合材料;然后,以获得高工作电位窗口为目标,分别以Mn₃O₄纳米晶/多孔碳复合材料和多孔碳为正极和负极材料,构建了具有高工作电位窗口的水系非对称超级电容器。主要研究内容如下:以低成本的胡萝卜为原料,采用快速微波碳化制备了具有多孔结构的含氮生物质碳。ZnCl₂在微波碳化中起到了微波吸收剂、活化剂和致孔剂的作用。通过改变胡萝卜/ZnCl₂的质量比,可以实现对碳材料孔结构的调控。得到的含氮生物质碳的比表面积可达1899 m~2 g^-1,孔体积为1.16 cm~3 g^-1<... 

【文章页数】：162 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题背景及研究的目的和意义
    1.2 超级电容器概述
        1.2.1 超级电容器的类型
        1.2.2 超级电容器的工作原理
        1.2.3 超级电容器的电极材料
    1.3 含氮多孔碳电极材料的研究进展
        1.3.1 微波碳化法制备含氮多孔碳材料
        1.3.2 含氮多孔碳的孔结构调控
        1.3.3 含氮多孔碳的超级电容器性能与孔结构的关系
    1.4 Mn_3O_4 纳米晶电极材料的研究进展
        1.4.1 Mn_3O_4 纳米晶的形貌调控
        1.4.2 Mn_3O_4 纳米晶的超级电容器性能与形貌的关系
    1.5 Mn_3O_4/多孔碳复合电极材料的研究进展
        1.5.1 Mn_3O_4/多孔碳复合材料的孔结构调控
        1.5.2 Mn_3O_4/多孔碳复合材料的超级电容器性能与孔结构的关系
    1.6 超级电容器电极材料研究中存在的问题
    1.7 本文的研究内容
第2章 材料合成及其研究方法
    2.1 实验材料及仪器
        2.1.1 实验材料
        2.1.2 实验仪器
    2.2 材料制备
        2.2.1 微波碳化制备含氮多孔生物质碳
        2.2.2 微波碳化制备高氮含量的含氮多孔碳
        2.2.3 不同形貌Mn_3O_4 纳米晶的制备
        2.2.4 Mn_3O_4/多孔碳复合材料的制备
    2.3 材料的结构和形貌表征
        2.3.1 X射线衍射分析
        2.3.2 拉曼光谱分析
        2.3.3 X射线光电子能谱分析
        2.3.4 扫描电子显微镜分析
        2.3.5 透射电子显微镜分析
        2.3.6 比表面积和孔径分析
        2.3.7 元素分析
        2.3.8 红外光谱分析
        2.3.9 热重分析
    2.4 电极的制备及超级电容器的组装
        2.4.1 电极的制备
        2.4.2 超级电容器的组装
    2.5 超级电容器性能测试
        2.5.1 测试装置
        2.5.2 循环伏安测试
        2.5.3 恒流充放电测试
        2.5.4 能量密度和功率密度
        2.5.5 电化学交流阻抗测试
第3章 微波碳化制备的含氮多孔生物质碳及其超级电容器性能
    3.1 引言
    3.2 生物质的微波碳化
        3.2.1 微波碳化理论
        3.2.2 微波碳化合成BNPCs
    3.3 BNPCs的物相、孔结构调控和化学组成
        3.3.1 BNPCs的物相组成
        3.3.2 BNPCs的孔结构调控
        3.3.3 BNPCs的化学组成
    3.4 BNPCs的超级电容器性能研究
        3.4.1 三电极体系中BNPCs的超级电容器性能
        3.4.2 基于BNPC-10 构建两电极对称超级电容器的性能
    3.5 本章小结
第4章 微波碳化制备的高氮含量的含氮多孔碳及其超级电容器性能
    4.1 引言
    4.2 壳聚糖水凝胶微波碳化研究
        4.2.1 微波碳化中ZnCl_2 的作用
        4.2.2 微波碳化的致孔机制
    4.3 NPCs的物相、孔结构调控和化学组成
        4.3.1 NPCs的物相组成
        4.3.2 NPCs的孔结构调控
        4.3.3 NPCs的化学组成
    4.4 NPCs的超级电容器性能研究
        4.4.1 三电极体系中NPCs的超级电容器性能
        4.4.2 基于NPC-2.0 构建两电极对称超级电容器超级电容器性能
    4.5 本章小结
第5章 Mn_3O_4纳米晶的形貌调控及其超级电容器性能
    5.1 引言
    5.2 Mn_3O_4 纳米晶的形貌调控研究
        5.2.1 Mn_3O_4 纳米晶的形貌调控理论
        5.2.2 Mn_3O_4 纳米晶的形貌调控的实验验证
    5.3 Mn_3O_4 纳米晶的结构研究
        5.3.1 Mn_3O_4 纳米晶的晶体结构
        5.3.2 Mn_3O_4 纳米晶的化学结构
    5.4 Mn_3O_4 纳米晶的超级电容器性能研究
        5.4.1 Mn_3O_4 纳米晶的比容量及倍率性能
        5.4.2 Mn_3O_4 纳米晶的循环稳定性
    5.5 本章小结
第6章 基于Mn_3O_4/多孔碳复合材料构建的非对称超级电容器的性能
    6.1 引言
    6.2 Mn_3O_4/NPC复合材料的合成研究
    6.3 Mn_3O_4/NPC复合材料的结构与组成特征
        6.3.1 Mn_3O_4/NPC复合材料的形貌
        6.3.2 Mn_3O_4/NPC复合材料的孔结构调控
        6.3.3 Mn_3O_4/NPC复合材料的化学组成
    6.4 Mn_3O_4/NPC复合材料的超级电容器性能研究
        6.4.1 三电极体系中Mn_3O_4/NPC复合材料的超级电容器性能
        6.4.2 Mn_3O_4/NPC-32%||NPC非对称超级电容器正负极的匹配性
        6.4.3 Mn_3O_4/NPC-32%||NPC非对称超级电容器的性能
    6.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
个人简历


【参考文献】：
期刊论文
[1]活性炭活化机理与再生研究进展[J]. 司崇殿,郭庆杰.  中国粉体技术. 2008(05)
[2]氯化锌法制造活性炭的机理探讨[J]. 邓先崙.  林化科技通讯. 1987(01)



本文编号：3709082