利用模板法合成超电容炭材料研究

发布时间：2017-09-15 22:03

  本文关键词：利用模板法合成超电容炭材料研究

  更多相关文章： 超级电容器 模板炭化法 多孔炭材料 电化学性能

【摘要】：超级电容器是近年来迅速发展的一种能量存储装置,是介于传统电容器和充电电池之间具有快速充放电的新型功率型能量储存器件,应用前景广阔。研究表明,超级电容器中的电极材料对其性能起着决定性的作用。其中,炭材料具有导电性性好、比表面积大、孔结构可控、密度低、来源广泛、价格低廉等优良特点。所以炭材料作为超级电容器的电极材料受到人们的高度关注。本论文采用模板炭化法制备超级电容器多孔炭材料,通过改变碳源类型、模板类别、炭化温度、炭化时间、质量比、掺氮等手段,以达到炭材料具有比表面积大、孔容高、孔径分布可调控、能量密度和功率密度高等目的,制备出了结构可控、电容性能优异的炭材料。论文的主要内容如下：1.利用羧甲基纤维素钠(C8H16NaO8; NaCMC)为原料制备多孔炭材料及其电化学性能的研究。这是一种合理制备具有高电化学性能的纳米多孔炭材料的模板炭化法,其中NaCMC作为碳源,价格低廉的Mg(OAc)2-4H2O和Zn(OAc)2-2H2O作为模板。这种方法揭示了碳源与模板之间的质量比以及炭化温度是决定炭结构的重要因素。样品NaCMC-Mg-Zn-1:5:0.5表现出了极好的多孔性：高的比表面积(1569 m2g-1)、大的总孔容(5.93 cm3g-1)、合理的孔径分布。此外,制备出的炭样品分别在二电极体系和三电极体系中测试了电化学性能。结果显示,炭样品在电流密度为1Ag-1时质量比电容高达428.4 F g-1,并且具有很好的循环稳定性。当功率密度为1.5 kW kg-1时,能量密度高达68.6 Wh kg-1。在本实验中用到的模板很廉价,商业上可用,尤其是碳化过程并没有使用任何物理或者化学活化,可以很简单的推广到其它制备纳米多孔炭的类型上2.利用柠檬酸锌(Zn3(C6H5O7)2·2H2O)制备多孔炭材料及其电化学性能的研究。本实验展示了单一的模板炭化法制备纳米多孔炭材料,在这里Zn3(C6H5O7)2·2H2O既可以作为碳源也可以作为模板。为了进一步提高炭样品的电化学性能,我们在实验过程中采用了氯化锌(ZnCl2)作为活化剂。实验结果显示比表面积从740.5 m2 g-1增大到1244.2 m2 g-1,总孔容从1.96 cm3 g-1增加到2.21 cm3g-1,在2 A g-1的电流密度下,质量比电容从194.8 F g-1增加到335.6 F g-1,电容保留性从83.7%增到到96.5%,这表明添加ZnCl2作为活化剂会大大地改变炭样品的结构,并且能提高炭样品的电化学性能。这种采用ZnCl2为活化剂的模板炭化法是一种有效制备纳米多孔炭的方法。3.利用双硫腙(C6H5NHNHCSN=NC6H5)和二苯基偶氮碳酰肼(C13H12N4O)制备纳米多孔炭材料及其电化学性能的研究。(1)分别在800℃的氩气氛围下炭化C6H5NHNHCSN=NC6H5和金属镁(Mg)的混合物、C6H5NHNHCSN=NC6H5和金属锌(Zn)的混合物,以此制备纳米多孔炭材料。通过恒流充放电、循环伏安等电化学测试方法测试纳米多孔炭材料的电化学性能,并比较两种不同的模板对制备纳米多孔炭材料的影响；结果表明C6H5NHNHCSN=NC6H5和Mg在质量比为1：1时电化学性能最好：在1 Ag-1的电流密度下,质量比电容高达229.3 Fg-1；在40Ag-1·的高电流密度下仍有74.8 F g-1。 (2)分别以C6H5NHNHCSN=NC6H5和C13H12N4O为碳源,硝酸镁(Mg(NO3)2·6H2O)为模板,制备纳米多孔炭材料；通过恒流充放电、循环伏安等电化学测试方法测试出纳米多孔炭材料的电化学性能。结果表明C6H5NHNHCSN=NC6H5和Mg(NO3)2·6H2O在质量比为1：3时质量比电容最高,倍率性能最好。在1 Ag-1的电流密度下,质量比电容有268.5 F g-1,在20Ag-1时比电容仍有146 Fg-1,保有率为54.38%。
【关键词】：超级电容器 模板炭化法 多孔炭材料 电化学性能
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM53
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-17
• 第一章 绪论17-28
• 1.1 超级电容器简介17-21
• 1.1.1 电化学电容器的特点17-18
• 1.1.2 超级电容器的分类18-20
• 1.1.3 炭电极材料的工作原理20-21
• 1.2 多孔炭材料的制备方法21-26
• 1.2.1 物理活化法21
• 1.2.2 化学活化法21-22
• 1.2.3 模板炭化法22-26
• 1.3 本论文的选题背景及研究内容26-28
• 1.3.1 选题背景26-27
• 1.3.2 主要研究内容27-28
• 第二章 实验方法及原理28-35
• 2.1 实验主要药品及仪器28-29
• 2.2 材料的表征方法29-31
• 2.2.1 热重分析(TG)29-30
• 2.2.2 X-射线衍射(XRD)30
• 2.2.3 X-射线光电子能谱(XPS)30
• 2.2.4 比表面积和孔结构分析(BET)30
• 2.2.5 场发射扫描电子显微镜(FESEM)30
• 2.2.6 高分辨率透射电镜(HRTEM)30-31
• 2.2.7 激光拉曼光谱仪(RAMAN)31
• 2.3 电化学性能测试31-35
• 2.3.1 实验电极的制作31
• 2.3.2 循环伏安测试31-32
• 2.3.3 恒流充放电测试32-34
• 2.3.4 交流阻抗测试34-35
• 第三章 利用羧甲基纤维素钠模板炭化法制备多孔炭用于超级电容器35-53
• 3.1 引言35-36
• 3.2 利用羧甲基纤维素钠制备多孔炭材料36-53
• 3.2.1 实验过程36-37
• 3.2.2 实验结果和讨论37-45
• 3.2.3 辅助材料45-52
• 3.2.4 结论52-53
• 第四章 利用柠檬酸锌制备模板法多孔炭材料及其电化学性能研究53-63
• 4.1 引言53-54
• 4.2 利用柠檬酸锌制备多孔炭材料及其电化学性能研究54-63
• 4.2.1 实验过程54
• 4.2.2 实验结果与讨论54-61
• 4.2.3 结论61-63
• 第五章 利用双硫腙制备多孔炭材料及其电化学性能研究63-78
• 5.1 引言63-64
• 5.2 以双硫腙为碳源制备多孔炭材料及其电化学性能能研究64-72
• 5.2.1 实验过程64
• 5.2.2 实验结果与讨论64-72
• 5.2.3 结论72
• 5.3 分别以双硫腙二苯基偶氮碳酰肼为碳源、硝酸锌为模板制备多孔炭材料制备多孔炭材料及其电化学性能能研究72-77
• 5.3.1 实验部分72-73
• 5.3.2 实验结果与讨论73-77
• 5.3.3 结论77
• 5.4 本章小结77-78
• 第六章 全文结论与展望78-80
• 6.1 全文结论78-79
• 6.2 展望79-80
• 附录一 攻读硕士学位期间获得的成果80-81
• 参考文献81-85

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 张传香;何建平;周建华;赵桂网;陈秀;王涛;;有序介孔碳CMK-3微波负载NiO及其电容性能研究[J];化学学报;2008年06期

中国博士学位论文全文数据库 前4条

1 陈德宏;介孔材料结构和孔道的可控合成及其在电化学和生物分离中的应用[D];复旦大学;2006年

2 因博;炭质光催化复合材料制备及液相有机物去除性能的研究[D];华东理工大学;2013年

3 杨杰;基于偏氯乙烯嵌段共聚物的多级多孔炭的制备、结构和电化学性能[D];浙江大学;2014年

4 侯超;纳米多孔金属基复合材料的设计及在能量存储中的应用[D];吉林大学;2015年

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 刘小雪;有序中孔炭的制备及其电化学性能[D];大连理工大学;2009年

2 周青青;多孔炭材料控制合成与电化学性能研究[D];合肥工业大学;2013年

3 曾丽君;大孔碳及其复合材料在电化学传感器中的应用[D];东北师范大学;2013年

4 谢东华;基于金属配合物为前躯体可控合成多孔炭材料及电化学性能研究[D];合肥工业大学;2014年

5 陈崇;利用模板法合成氮掺杂多孔炭材料及超电容性能研究[D];合肥工业大学;2014年

，

本文编号：859137