富氮碳材料作为超级电容器电极材料的研究

发布时间：2017-09-01 17:02

  本文关键词：富氮碳材料作为超级电容器电极材料的研究

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【摘要】：超级电容器作为一种新型储能器件,兼具传统电容器与二次电池的优点。由于它所具有高的功率密度、快速的充放电、较长的使用寿命及对环境无污染等特点,近年来引起了人们的广泛关注。电极材料是影响超级电容器性能的核心因素,因此,具有优良性能的电极材料已成为研究热点。碳材料由于它的原料易得、独特的物理化学特性及成本低等优点而成为商业超级电容器应用最为广泛的电极材料之一。在碳材料上若引入含氮的官能团可以诱发法拉第反应即所谓的赝电容效应进而提高比电容。本论文采用的是原位掺杂氮的方法来制备富氮碳材料,采用SEM、TEM、FTIR、XRD、BET、XPS、Raman等技术对材料进行了形貌和结构表征,采用循环伏安、恒流充放电及交流阻抗测试等探究了材料的电化学性能。其主要的研究内容如下:(1)以苯胺和N-羟乙基苯胺为单体,过硫酸铵为氧化剂,通过化学氧化法制备了球径均一的聚合物。然后以KOH为活化剂,制备了不同条件下的富氮碳材料。在活化温度为700℃,材料的比表面积高达2276.3m2g-1,孔容是1.2318cm3 g-1。材料显示出了优异的电化学性能,在1M H2SO4电解液介质中,三电极体系下,电流密度为1A/g时,比电容高达361F/g,经过1000次循环之后,电容基本没有衰减。电流密度为30A/g时,比电容高达228F/g,经过10000次循环之后,电容保持率高达96.5%。这归因于材料较高的比表面积和合适的孔径分布、含氮量等因素,杂原子的掺杂使材料既存在双电层电容,还产生了赝电容。(2)以纳米Ca CO3为模板,环氧树脂和乙二胺为碳源和固化剂,合成出了一系列不同碳化温度和不同模板用量的富氮碳材料。在碳化温度为700℃,环氧树脂与纳米Ca CO3质量比为2时,材料的比表面积为527m2g-1,含氮量为2.28%,性能最佳。在1M H2SO4电解液介质中,两电极体系下,电流密度为1A/g时,比电容为162F/g,经过1000次循环之后,电容下降了近25%。材料较差的电化学性能可能是由于它们较低的比表面积造成,致使电解液离子与电极材料接触面积受到限制。(3)首次以可再生的生物质苋菜茎为原料,通过水热合成法和500℃碳化制备前驱体。采用KOH对前驱体进行了活化,制备出了不同条件下的氮掺杂碳材料。700℃下KOH活化的材料电化学性能最佳,在1M H2SO4介质中,两电极体系下,放电电流密度为1A/g时,比电容为328F/g。放电电流密度为30A/g时,比电容还高达138F/g。该类材料的原料易得,成本低廉,在超级电容器电极材料中具有一定的发展前景。
【关键词】：碳材料 氮掺杂 KOH活化 超级电容器
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM53
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 引言12
• 1.2 超级电容器简介12-15
• 1.2.1 超级电容器的工作原理12-14
• 1.2.2 超级电容器的特点14
• 1.2.3 超级电容器的分类14-15
• 1.3 超级电容器的应用及研究进展15-16
• 1.4 超级电容器电极材料的研究进展16-20
• 1.4.1 碳材料16-18
• 1.4.2 金属氧化物材料18-19
• 1.4.3 导电聚合物材料19-20
• 1.4.4 复合物材料20
• 1.5 KOH活化碳材料的机理20-21
• 1.6 本论文的选题依据、意义及主要研究内容21-24
• 1.6.1 选题依据、意义21
• 1.6.2 主要的研究内容21-24
• 第二章 实验方法及原理24-30
• 2.1 实验药品和仪器设备24-25
• 2.2 材料的表征25-27
• 2.2.1 扫描电子显微镜25
• 2.2.2 透射电子显微镜25-26
• 2.2.3 傅里叶红外拉曼光谱仪26
• 2.2.4 X射线衍射26
• 2.2.5 比表面积和孔径分布测试26
• 2.2.6 拉曼光谱26
• 2.2.7 元素分析 X射线光电子能谱26-27
• 2.3 电极的制备及对称超级电容器的组装27
• 2.3.1 电极的制备27
• 2.3.2 超级电容器的组装27
• 2.4 电化学测试27-28
• 2.4.1 循环伏安测试27
• 2.4.2 恒电流充放电27-28
• 2.4.3 交流阻抗测试28
• 2.4.4 循环寿命测试28
• 2.5 本章小结28-30
• 第三章 KOH活化苯胺/N-羟乙基苯胺碳球及其电化学性能研究30-44
• 3.1 引言30
• 3.2 球径均一的苯胺/N 羟乙基苯胺聚合物的制备30-31
• 3.3 KOH活化苯胺/N 羟乙基苯胺聚合物31
• 3.4 氮掺杂碳材料的表征31-37
• 3.4.1 氮掺杂碳材料的形貌表征（SEM）31-32
• 3.4.2 氮掺杂碳材料的透射电镜表征（TEM）32-33
• 3.4.3 氮掺杂碳材料的结构分析（FTIR）和 (XRD)33-34
• 3.4.4 氮掺杂碳材料的BET表征34-35
• 3.4.5 氮掺杂碳材料的元素分析（XPS）35-37
• 3.4.6 氮掺杂碳材料的拉曼表征（Raman）37
• 3.5 氮掺杂碳材料的电化学性能表征37-43
• 3.5.1 循环伏安测试38-39
• 3.5.2 恒电流充放电测试39-41
• 3.5.3 循环寿命测试41-42
• 3.5.4 交流阻抗测试42-43
• 3.6 本章小结43-44
• 第四章 纳米CaCO_3作为模板制备富氮碳材料及电化学性能研究44-58
• 4.1 引言44
• 4.2 采用纳米CaCO_3作为模板的富氮碳材料的制备44-45
• 4.3 材料的形貌和结构表征45-50
• 4.3.1 材料的形貌表征（SEM）45-46
• 4.3.2 材料的透射电镜表征（TEM）46
• 4.3.3 材料的XRD分析46-47
• 4.3.4 材料的BET表征47-48
• 4.3.5 材料的元素分析（XPS）48-50
• 4.4 材料的电化学性能表征50-56
• 4.4.1 循环伏安测试50-53
• 4.4.2 恒电流充放电测试53-54
• 4.4.3 循环寿命测试54-55
• 4.4.4 交流阻抗测试55-56
• 4.5 本章小结56-58
• 第五章 基于生物质制备的富氮碳材料及其电化学性能研究58-70
• 5.1 引言58
• 5.2 生物质氮掺杂碳材料的制备58-59
• 5.3 生物质氮掺杂碳材料的表征59-62
• 5.3.1 苋菜茎氮掺杂碳材料的SEM和TEM表征59-60
• 5.3.2 氮掺杂碳材料的结构分析（FTIR）和 (XRD)60-61
• 5.3.3 氮掺杂碳材料的元素分析（XPS）61-62
• 5.4 氮掺杂碳材料的电化学性能表征62-69
• 5.4.1 循环伏安测试62-64
• 5.4.2 恒电流充放电测试64-66
• 5.4.3 循环寿命测试66-68
• 5.4.4 交流阻抗测试68-69
• 5.5 本章小结69-70
• 第六章 总结与展望70-72
• 参考文献72-82
• 致谢82-84
• 攻读学位期间的科研成果84-85

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本文编号：773299