掺N多孔炭/NiO的制备与电容性能的研究
发布时间：2021-08-17 00:25
以原位聚合法制备的煤基聚苯胺为碳、氮源,乙酸镍为催化剂前驱体,催化热解制得掺N多孔炭/Ni,再经液相氧化,成功制得掺N量为0.256%,有丰富微介孔的掺N多孔炭/NiO。其孔结构以小于40 nm的微介孔为主,微孔孔体积占80.4%,BET比表面积为452.5 m2/g,BET平均孔径为1.9 nm,BJH平均孔径为3.5 nm。其中,多孔炭保留了部分煤大分子的芳核特征,表面还有一定量的羧基和羟基,N元素主要以吡啶型N和吡咯型的形式掺杂到多孔炭中。NiO以100 nm左右的微粒附着在多孔炭表面或孔中。制备的掺N多孔炭/NiO兼具双电层电容和赝电容特性,具有高的比电容,好的循环稳定性和倍率特性。其单极比电容达到541.6 F/g（1.0 A/g）,5.0 A/g下循环充放电1 000次后,比电容降为245.8 F/g,电容保持率为85.6%。
【文章来源】：煤炭学报. 2017,42(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
纯乙酸镍的热解产物、掺N多孔炭/Ni和掺N多孔炭/NiO的SEM图
煤炭学报2017年第42卷图1纯乙酸镍的热解产物、掺N多孔炭/Ni和掺N多孔炭/NiO的SEM图Fig.1SEMimageofthepyrolysisproductofpurenickelacetate，N-dopedporouscarbon/NiandN-dopedporouscarbon/NiO图2掺N多孔炭/NiO的等温吸脱附曲线与孔径分布Fig.2Isothermcurve＆poredistributionofN-dopedporouscarbon/NiO体积和比表面的贡献，经计算得微孔孔体积占80.4%，微孔比表面占83.4%。可见，微孔对整个孔结构的孔体积和比表面的影响是起主导作用的。再结合图2(b)，可得出，复合材料以小于40nm的微介孔为主。2.2化学结构分析图3为掺N多孔炭/Ni和掺N多孔炭/NiO的红外光谱图。可以看出，两者峰形峰位差不多，均与文献报道［21－25］的在惰性气氛下高温热解得到的焦炭的FTIＲ图有相似的少峰特征。分析发现，在3500～3000cm－1的宽强峰对应有芳杂环上的N—H伸缩振动，羧酸、醇或酚的O—H伸缩振动，芳核上的C—H伸缩振动;3000～2800cm－1对应有烷基的C—H伸缩振动;2352cm－1对应有羧基或羰基上的CO伸缩振动;1640cm－1附近对应有芳核上的CC伸缩振动;1300～1000cm－1对应有芳核上的C—H面内弯曲振动，芳基烷基醚上的C—O伸缩振动。比较发现，液相氧化使多孔炭表面有了更多的羧基或羰基。同时说明，掺N多孔炭/NiO中的N以芳杂环的形式表2掺N多孔炭/NiO的比表面积、孔体积和平均孔径的分析结果Table2Surfacearea，porevolumeandaverageporesizeofN－dopedporouscarbon/NiO比表面积/(m2·g－1)LangmuirBETt－PlotMicropore孔体积/(cm3·g－1)Totalt－PlotmicroporeBJHAdsorption平均孔径/nmBETBJHAdsorption599.4452.5377.30.2170.1740.0321.93.5对多孔炭进行了掺杂，多孔炭中还保留了部分煤大分
第6期汪晓芹等:掺N多孔炭/NiO的制备与电容性能的研究图3掺N多孔炭/Ni，掺N多孔炭/NiO的FITIＲ图和掺N多孔炭/NiO中N1s的XPS峰Fig.3FTIＲspectraofas-synthesizedN-dopedporouscarbon/NiandandN1sXPSpeaksofN－dopedporouscarbon/NiO分别对应于单质镍的(111)，(200)，(220)晶面的衍射峰。鉴于文献［26－27］报道，乙酸镍在氮气氛热解至500℃时，裂解产物基本恒定为NiO和镍的混合物。NiO或镍即使在1000℃的高温下也不会与氮气反应，十分稳定［28］。据此，图4结果可说明乙酸镍热解产生的氧化镍已被周围的单质态碳完全还原，这与文献［29］报道的相关研究结果一致。掺N多孔炭/NiO在37.14°，43.30°，62.76°三处也出现了衍射峰，与NiO的标准卡片JCPDSNo.78－0643相吻合，分别对应于NiO的(111)，(200)，(220)衍射面。这说明热解产物掺N多孔炭/Ni经液相氧化法完全转变成了掺N多孔炭/NiO。图4掺N多孔炭/Ni和掺N多孔炭/NiO的XＲD图谱Fig.4XＲDpatternsofN-dopedporouscarbon/NiandN-dopedporouscarbon/NiO2.4电化学性能分析图5为制得的掺N多孔炭/NiO电极在不同扫速下的循环伏安(CV)曲线和在不同电流密度下的恒流充放电曲线。图5(a)的CV曲线表现出了明显的赝电容特征［30］，这是多孔炭中的N掺杂，表面羧基和羟基官能团、部分芳核结构以及NiO的共同贡献。可看出，不同扫速下的CV曲线均在0.1V，－1.0V附近出现两个明显的还原峰，分别对应于:NiOOH+e－=NiO+OH－和NiO+H2O+2e－=Ni+2OH－两个还原过程。图5掺N多孔炭/NiO的循环伏安曲线，恒流充放电曲线，不同电流密度下的比电容曲线和循环稳定性曲线Fig.5CVcurves，galvanostaticcharge-dischargecurves，capacitanceatdifferentcurrentdensityandcapa
本文编号：3346685
【文章来源】：煤炭学报. 2017,42(06)北大核心EICSCD
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纯乙酸镍的热解产物、掺N多孔炭/Ni和掺N多孔炭/NiO的SEM图
煤炭学报2017年第42卷图1纯乙酸镍的热解产物、掺N多孔炭/Ni和掺N多孔炭/NiO的SEM图Fig.1SEMimageofthepyrolysisproductofpurenickelacetate，N-dopedporouscarbon/NiandN-dopedporouscarbon/NiO图2掺N多孔炭/NiO的等温吸脱附曲线与孔径分布Fig.2Isothermcurve＆poredistributionofN-dopedporouscarbon/NiO体积和比表面的贡献，经计算得微孔孔体积占80.4%，微孔比表面占83.4%。可见，微孔对整个孔结构的孔体积和比表面的影响是起主导作用的。再结合图2(b)，可得出，复合材料以小于40nm的微介孔为主。2.2化学结构分析图3为掺N多孔炭/Ni和掺N多孔炭/NiO的红外光谱图。可以看出，两者峰形峰位差不多，均与文献报道［21－25］的在惰性气氛下高温热解得到的焦炭的FTIＲ图有相似的少峰特征。分析发现，在3500～3000cm－1的宽强峰对应有芳杂环上的N—H伸缩振动，羧酸、醇或酚的O—H伸缩振动，芳核上的C—H伸缩振动;3000～2800cm－1对应有烷基的C—H伸缩振动;2352cm－1对应有羧基或羰基上的CO伸缩振动;1640cm－1附近对应有芳核上的CC伸缩振动;1300～1000cm－1对应有芳核上的C—H面内弯曲振动，芳基烷基醚上的C—O伸缩振动。比较发现，液相氧化使多孔炭表面有了更多的羧基或羰基。同时说明，掺N多孔炭/NiO中的N以芳杂环的形式表2掺N多孔炭/NiO的比表面积、孔体积和平均孔径的分析结果Table2Surfacearea，porevolumeandaverageporesizeofN－dopedporouscarbon/NiO比表面积/(m2·g－1)LangmuirBETt－PlotMicropore孔体积/(cm3·g－1)Totalt－PlotmicroporeBJHAdsorption平均孔径/nmBETBJHAdsorption599.4452.5377.30.2170.1740.0321.93.5对多孔炭进行了掺杂，多孔炭中还保留了部分煤大分
第6期汪晓芹等:掺N多孔炭/NiO的制备与电容性能的研究图3掺N多孔炭/Ni，掺N多孔炭/NiO的FITIＲ图和掺N多孔炭/NiO中N1s的XPS峰Fig.3FTIＲspectraofas-synthesizedN-dopedporouscarbon/NiandandN1sXPSpeaksofN－dopedporouscarbon/NiO分别对应于单质镍的(111)，(200)，(220)晶面的衍射峰。鉴于文献［26－27］报道，乙酸镍在氮气氛热解至500℃时，裂解产物基本恒定为NiO和镍的混合物。NiO或镍即使在1000℃的高温下也不会与氮气反应，十分稳定［28］。据此，图4结果可说明乙酸镍热解产生的氧化镍已被周围的单质态碳完全还原，这与文献［29］报道的相关研究结果一致。掺N多孔炭/NiO在37.14°，43.30°，62.76°三处也出现了衍射峰，与NiO的标准卡片JCPDSNo.78－0643相吻合，分别对应于NiO的(111)，(200)，(220)衍射面。这说明热解产物掺N多孔炭/Ni经液相氧化法完全转变成了掺N多孔炭/NiO。图4掺N多孔炭/Ni和掺N多孔炭/NiO的XＲD图谱Fig.4XＲDpatternsofN-dopedporouscarbon/NiandN-dopedporouscarbon/NiO2.4电化学性能分析图5为制得的掺N多孔炭/NiO电极在不同扫速下的循环伏安(CV)曲线和在不同电流密度下的恒流充放电曲线。图5(a)的CV曲线表现出了明显的赝电容特征［30］，这是多孔炭中的N掺杂，表面羧基和羟基官能团、部分芳核结构以及NiO的共同贡献。可看出，不同扫速下的CV曲线均在0.1V，－1.0V附近出现两个明显的还原峰，分别对应于:NiOOH+e－=NiO+OH－和NiO+H2O+2e－=Ni+2OH－两个还原过程。图5掺N多孔炭/NiO的循环伏安曲线，恒流充放电曲线，不同电流密度下的比电容曲线和循环稳定性曲线Fig.5CVcurves，galvanostaticcharge-dischargecurves，capacitanceatdifferentcurrentdensityandcapa
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