碳泡沫基氮掺杂碳材料的制备及其在超级电容器中的应用

发布时间：2020-08-11 16:09

【摘要】：超级电容器作为一种环保型能源设备。因为它具有充电快、超低温特效好、循环寿命长和功率密度大的优点,获得了越来越多科学家的关注。双电层超级电容器的储能过程不会造成电极材料的膨胀或紧缩,并且其循环性能和安全性极高。该类型电容器的电极材料主要是碳基材料,凭借其研发成本低、稳定性能优异和导电性良好等优势,成为了研究者关注的焦点。研究表明,在碳基材料中掺入氮原子不仅可以提高碳材料的表面润湿性;此外,杂原子还可以形成电化学活性位点,在充放电过程中充当可逆法拉第氧化还原反应,从而增加比电容。本课题以三聚氰胺泡沫为固定碳源和氮源,通过添加额外的葡萄糖为碳源,制备了具有发达孔结构和高比表面积的氮掺杂碳泡沫。(1)本文以三聚氰胺泡沫为碳源和氮源,以廉价的葡萄糖为附加碳源,采用一步碳化的方法制备了氮掺杂碳材料,并进一步探索了葡萄糖的含量对材料的微观形貌、孔道结构及其电化学性能的影响。通过三聚氰胺泡沫的碳化产物NCF和在三聚氰胺泡沫上负载葡萄糖后的碳化材料NCs-1:20的电化学性能对比,我们发现,在三电极体系中,当电流密度为1 A g~(-1)时,NCs-1:20材料的比容量为149.2 F g~(-1)而NCF材料的比电容为114 F g~(-1)。表明葡萄糖的存在有助于提高材料的导电性。通过对比葡萄糖的不同浓度可知,随着葡萄糖浓度增加,材料的氮含量和比表面积明显减少且电化学性能显著降低,说明过量的葡萄糖并不利于电解质离子的快速转移。此外,三聚氰胺泡沫与葡萄糖质量比为1:20时,性能最优。(2)本文基于氮掺杂碳材料的良好电化学表现,进一步利用KOH,通过一步碳化和活化的简便方法,制备了具有更加丰富孔道结构和更高比表面积的氮掺杂碳泡沫,并且探索了活化温度对材料的形貌、孔径及其电化学性能的影响。最后可知,800℃为碳材料的最优活化温度。即ANCs-800电极材料具有最优的电化学性能。在电流密度为1A g~(-1)的条件下,ANCs-800材料的比电容可以高达360 F g~(-1)而NCs-1:20只有143.7 F g~(-1)。这一结果说明,通过KOH活化有利于电化学性能的提高。在两电极体系中,当电流密度为0.5 A g~(-1)时,最优材料ANCs-800的比电容为387 F g~(-1),其能量密度可达24.2 W h kg~(-1)。除此之外,该材料还具有优异的循环稳定性,当材料循环充放电10,000圈后,其比容量保持率依旧高达96.3%,这充分表明该多孔氮掺杂碳材料在超级电容器领域中巨大的应用潜力。
【学位授予单位】：上海应用技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O613.71;TM53
【图文】：

图 1.1 超级电容器的结构示意图Fig. 1.1 Schematic diagram of the supercapacitors.电容器的分类级电容器的储能机理的不同，超级电容器可以分为双电层电容器两种[29,30]。对于双电层电容器来说，其电极材料主要是碳基电容器的电极材料主要包括过渡金属氧材料、导电聚合物以及合材料等。如果电池性电极材料和电容性电极材料同时存在于被称为混合电容器。电容器是根据德国物理学家 Helmoholtz 的界面双电层理论来环保特性的新型电容器[31]。它是通过电解质离子在电极表面定的，其过程是可逆性静电吸附、脱附过程，期间并不会发生化学料与电解液几乎没有损耗，更不会使电极材料膨胀或紧缩，安较高。其工作原理如图 1.2 所示，将正负极片插入电解液中，分解电压的电压时，正极片将会吸引电解质中的负离子，负极

图 1.2 双电层电容器的原理图Fig. 1.2 Schematic diagram of operating mechanism of an electric double-layer ca拉第赝电容器也是超级电容器中的一种。图 1.3 为法拉第赝电容器，从图中我们可以看出法拉第赝电容器是应用离子发生氧化还原反实现储能的[34,35]。电容器在充电的时候，电解液中的离子就会迁移电解液的界面上，发生氧化还原反应并产生大量的正负电荷；在放当电路接通时，聚集在电极-溶液界面上的正负电荷就会通过逆反解液中，这样电极上电荷的迁移就形成了外电路电流，同时完成了此可见，在赝电容器的储能过程中，不仅包括双电层存储的离子电解液迁移到电极材料内部所发生氧化还原反应产生的电子电荷。双电层电容器相比较，法拉第赝电容器的比容量一般比较高，大概器的 100 倍左右。但是，由于赝电容器在储能过程中会发生氧化还原极材料容易损坏使得电极材料得稳定性比较差，减少了电极材料的般地，赝电容器的电极材料主要包括过渡金属材料和导电聚合物等

图 1.3 赝电容器工作原理图Fig. 1.3 The mechanism of pseudo-capacitor.器的应用具有较高功率密度和较长的循环寿命等特点，所域，例如风力发电、能源汽车和电网等[36-38]。在电容器与电池配合使用，这样不仅实现了储能还外，在使用过程中超级电容器还可以与锂离子电有节能、环保和性能稳定的特点，并在混合动力的发展前景。一般来说，锂离子电池的主要功能超级电容器的优势则是为汽车启动以及加速过然在汽车制动甚至慢速行驶时可帮助汽车储存或者下坡的过程中，超级电容器也可快速回收车运行过程中产生的那些不规则动力顺利转化车在行驶过程中比较安全和稳定。因此，超级电

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本文编号：2789279