氮掺杂多孔碳材料的制备及其在超级电容器中的应用

发布时间：2019-11-17 13:51

【摘要】：氮掺杂多孔碳材料现已成为碳材料领域的研究热点之一,氮掺杂进入碳基体后可形成吡啶-氮、吡咯-氮、石墨-氮和吡啶氧化物等含氮官能团,可以调节碳材料的表面化学活性,提升材料的导电性及电化学性能。氮掺杂多孔碳材料用作超级电容器电极材料还可以产生赝电容,并提高电极的浸润性,使材料的比电容及倍率性能得到大幅度提高。本论文分别以廉价的柠檬酸铵以及柠檬酸单铵/聚N-(2-氨基乙基)甲基丙烯酰胺(PAEMA)混合物为前驱体,制备了两种氮掺杂多孔碳材料,并研究了它们用作超级电容器电极材料的电化学性能。主要研究工作包括以下两方面:(1)柠檬酸铵基氮掺杂多孔碳材料的制备及其电容性能研究。采用柠檬酸铵为单一前驱体,采用热解活化法制备得到氮掺杂多孔碳材料(ACAs)。在最佳条件下(热解温度600°C,KOH/热解产物质量比2:1,活化温度800°C)制备的氮掺杂多孔碳材料(ACA-6-2-8)具有明显的层状结构,同时还具有很高的比表面积(2660 m2g~(-1))和总孔容(1.40 cm3g~(-1))以及较高的氮含量(1.37 at.%N)。ACA-6-2-8电极在6 M KOH电解液中具有较高的比电容以及优异的倍率性能,在电流密度为1 A g~(-1),其比电容为368 F g~(-1);当电流密度达到100 A g~(-1)时,其比电容仍为296 F g~(-1),电容保持率高达80.4%。采用1 M Na2SO4溶液为电解质,将ACA-6-2-8电极组装成对称超级电容器。发现在功率密度为923 W kg 1时,其能量密度达到25.5 Wh kg~(-1),在2 A g~(-1)的电流密度下循环10000次后,其比电容仅下降了约4%,表现出优良的循环稳定性。(2)聚合物基氮掺杂多孔碳材料的制备及其电容性能研究。以柠檬酸单铵和聚N-(2-氨基乙基)甲基丙烯酰胺(PAEMA)混合物为前驱体,在BaCO3存在下经热解直接制备了氮掺杂多孔碳材料(APC-800-2)。材料的比表面积为690 cm2g 1,总孔容为0.53 cm3 g 1,表面氮含量为5.07 at.%。APC-800-2电极在0.5 A g 1电流密度下,质量电容为207 F g 1,还具有与质量电容相当的体积电容(201 F cm 3)。在2 A g 1电流密度下,经过10000次充放电循环后,电容保持率高达95%,循环稳定性优良。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM53

【参考文献】