杂原子掺杂多孔碳材料的制备、表征及其电化学性能研究

发布时间：2020-06-04 10:12

【摘要】：超级电容器作为一种高比功率和长循环寿命的新型储能器件,在许多领域受到了广泛的关注。其中,电极材料是超级电容器研究的重中之重。碳材料是一种常用的电极材料,但由于其双电层的储能机制,拥有比较低的比电容和能量密度。所以为了进一步提高超电容的能量密度,改善碳材料的现有的缺点,本文通过杂原子掺杂改性和活化的方式,制备了具有优异电化学性能的碳材料。同时探究了杂原子的掺杂对其微观结构和电化学性能的影响。主要研究内容如下:(1)采用蔷薇花瓣作为原料,KOH作为活化剂,制备了具有微孔和介孔的多级孔道结构的富氮碳材料,其比表面积达到1646.7 m~2 g~(-1)。其多级的孔道结构给电解液提供了更多离子传输通道。活化后的氮含量为1.2 at.%。氮元素的掺杂可以提高导电性和材料润湿性。在6 M KOH的水系电解液中,蔷薇衍生多孔碳的质量比电容和体积比电容分别为340.0 F g~(-1)和238.0 F cm~(-3)(0.5 A g~(-1)),能量密度为(8.3 Wh kg~(-1))。另外,在1 M TEABF_4/PC有机电解液中,电压窗口为0-2.8V时,蔷薇衍生多孔碳拥有更高的能量密度(52.6 Wh kg~(-1)),经过6500圈的循环后,依然能保持96.6%,表现出良好的电化学稳定性。(2)一步法制备PVA-KOH凝胶聚合物,KOH作为活化剂,经过高温碳化得到碳材料具有丰富且均一的孔道结构和含氧官能团。物性表征表明,PVA-KOH凝胶聚合物衍生碳(POC-K)高比表面积(1084.8 m~2 g~(-1)),多级孔道结构(介孔率为45.3%),同时其氧含量为6.0 at%。电化学测试表明,当电流密度为0.5 A g~(-1)时,负载量为5 mg cm~(-2)的电极在碱性电解液中的质量比容量为256.7 F g~(-1),当电流密度上升到10 A g~(-1),质量比容量(186.0 F g~(-1))保持在72.46%。说明由于高介孔率,POC-K拥有良好的倍率性能。在酸性电解液中产生了更大的质量比容量(406.1 F g~(-1)),是由于含氧官能团在酸性电解液中提供赝电容。同时,当POC-K作为钠离子电池负极材料也展现出了良好的可逆比容量(在100 mA g~(-1)的电流密度下,250 mAh g~(-1))。(3)以聚丙烯酰胺水凝胶作为前驱体,通过冷冻干燥的方法掺杂了N/P和N/S元素,最终得到N/P共掺杂多孔碳材料(HNPC-F)和N/S共掺杂多孔碳材料(HNSC-F)。冷冻干燥的方法不仅操作简单,环境友好,也可更好保留材料本身的形貌及疏松多孔的孔道结构。通过物性表征可知,HNPC-F和HNSC-F拥有高比表面积(813.3;1192.1 m~2 g~(-1))和多级孔道结构。掺杂处理后的HNPC-F(N:7.1%;P:0.42%)和HNSC-F(N:7.1%;S:0.8%)的N\P和N\S含量均有所上升。这些优点使HNPC-F和HNSC-F拥有良好的电化学性能。当电流密度为0.5A g~(-1)时,负载量为5 mg cm~(-2)的HNPC-F和HNSC-F电极在酸性电解液中的质量比容量分别为284.7和325.8 F g~(-1)。另外,在碱性电解液中,由于P原子的掺杂使HNPC-F获得了大的电势窗口(0.0~1.3V),在功率密度为325 W kg~(-1)时,其能量密度为10.3 Wh kg~(-1)。当HNPC-F和HNSC-F作为钠离子电池负极材料时,也表现出了良好的电化学稳定性(在50 mA g~(-1)的电流密度下循环500圈之后的可逆比容量分别为88.0和138.5 mAh g~(-1))。
【图文】：

第一章 绪 论容器的概述电容器的特点容器，也被称为双电层电容器、超大容量电容器、赝电容电容器和二次电池优点为一体的新型储能装置。通过形成第赝电容反应来进行能量存储。如图 1.1 所示，，[3]超级电储存器件的 Ragone 图。与传统电容器相比，超级电容器表面积，因此，超级电容器的容量远超传统电容器。同时级电容器的比能量及比功率的范围大。

图 1.2 双电层电容器工作原理示意图[3].2 The schematic diagram of electrochemical doubl第赝电容器，与双电层电容器的储能机理不生了氧化还原反应，从而产生了电容。Co时发现了这种新的储能机理，之后便提出机理如图 1.3 所示。[5]法拉第赝电容器的电的碳原子或者导电聚合物，因此可以产生工作原理示意图：（a）欠电位沉积（b）氧化还原
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TM53

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