炭材料孔隙结构的调控及其电化学性能的研究

发布时间：2017-10-16 12:25

  本文关键词：炭材料孔隙结构的调控及其电化学性能的研究

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【摘要】：本论文中,在利用模板炭化法,通过调控碳前驱体与模板间质量比、炭化温度等手段,实现对纳米多孔炭材料孔结构的调控,并制备了一系列的具有高比表面积和孔容的纳米多孔炭材料,考察其表面官能团的存在形式和结晶化的程度。此外还在二电极、三电极的电化学测量体系中测定超电容性能,在此基础上,通过添加氧化还原活性剂进一步提高电化学性能。论文的主要研究内容如下：1.使用一种简单有效的模板炭化法来制备具有球形结构的氮掺杂纳米多孔炭材料,其中对称二苯胍(C_(13)H_(13)N_3)作为碳源、碳酸钙(CaCO_3)作为硬模板、偶氮二甲酰胺(C_2H_4N_4O_2)作为氮化剂。实验所得到的纳米多孔炭材料均呈现低石墨化程度的非晶结构,且样品具有独特的纳米微球形的结构,样品中氮的存在形式有吡啶氮、叽咯氮和石墨氮。实验结果说明了碳源与模板以及氮化剂之间的配比可以有效的控制比表面积、孔隙结构和氮含量。Carbon-DC样品的比表面积达到了652.3 m~2 g~(-1)、含氮量是6.9at.%,而经过氮化处理后得到的Carbon-DCA样品的比表面积却提高到1022.6 m~2g~(-1)、含氮率也高达12.45at.%。首先在以KOH为电解液的三电极体系中进行电化学性能进行测试,在1 A g~(-1)的电流密度下,Carbon-DC样品显示了176.2 F g~(-1)的质量比电容,而Carbon-DCA样品的质量比电容则提高到了220.0 F g~(-1)。在炭化过程中,进一步通过加入氮化剂偶氮二甲酰胺进行氮掺杂处理后的纳米多孔炭材料,其孔隙率和含氮量都得到了很大的提升,随后在以H2SO4为电解液的三电极体系中测试了Carbon-DCA的电化学性能。在1 A g~(-1)的电流密度下Carbon-DCA样品的质量比电容由220.0 F g~(-1)提高到263.0 F g~(-1),并且展示了良好的倍率性能和电化学循环稳定性。2.利用柠檬酸镁(C_(12)H_(10)Mg_3O_4·14H_2O)作为碳源、镁粉作为模板,采用一种简单的多模板炭化法制备纳米多孔炭材料。实验结果表明,柠檬酸镁和镁粉的质量比以及炭化的温度对所得纳米多孔炭材料的比表面积、孔隙率和电化学性能有着重要的影响。在900℃的炭化温度下得到的C-4：1-900样品显示了超高的比表面积为1972.1 m~2g~(-1)和超大的孔容为4.78 cm~3 g~(-1)。此外,随着炭化温度的的升高,纳米多孔炭材料的晶化程度会得到显著的提高。在1 A g~(-1)的电流密度下,C-4：1-900的质量比电容高达236.5 F g~(-1)。而且在20 Ag~(-1)的电流密度下,该样品的电容保留率高达66.3%。二电极体系中,通过控制测量温度对C-4：1-900样品的电化学性能进行测量。在25、50和80℃三个不同的测量温度下测量,样品的质量比电容分别为132.6、158.4和178.2 Fg~(-1)。此外,测量温度为80℃时,样品显示了最高的能量密度。当功率密度为10 W kg-1,能量密度达到了15.0 Wh kg~(-1)。3.采用一种协同的催化石墨化的模板炭化法制备具有高比表面积的纳米多孔炭材料,其中柠檬酸镁(C_(12)H_(10)Mg_3O_4·14H_2O)作为碳源、硝酸镍(NiNO_3·6H_2O)作为石墨化催化剂。实验结果表明,低温下容易得到高的孔隙率和低的石墨化程度,而高温下容易得到低的孔隙率和高的石墨化程度。C-800样品的比表面积高达2587.13 m~2 g~(-1),这比大多数报导过的纳米多孔炭材料都要大,相应的孔容也达到了4.64 cm~3 g~(-1),但是石墨化的程度却很低。而C-1000样品的比表面积是967.96 m~2 g~(-1),但却能在高分辨率透射电镜下观察到最明亮清晰的选区电子衍射环,表明了其最好的石墨化程度。当电流密度为1 Ag~(-1)时,C-800样品显示了最大的质量比电容为305.3 Fg~(-1),但是石墨化程度最好的C-1000样品显示了更好的电容保留率。此后,当向电解液中添加不同浓度的对硝基苯胺(C_6H_6N_2O_2)作为电解液时,实验测得的恒电流充放电曲线上可以看到明显的充放电平台,且所有的循环伏安曲线上都有一对宽广对称的氧化还原峰。在1 Ag~(-1)的电流密度下,C-800-2的质量比电容是502.1 Fg~(-1),这要大于C-800-1的400.3 Fg~(-1)和C-800的305.3Fg~(-1)。经过5000次的充放电循环后,C-800-1/2的电容保留率仍然有88.9%和86.8%,显示了很好的循环稳定性。表明对硝基苯胺确实是一种可用且有效的氧化还原添加剂,可以值得使用。
【关键词】：超级电容器 模板炭化法 多孔炭 石墨化 电化学
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;O646
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-17
• 第一章 绪论17-24
• 1.1 超级电容器的简介17-19
• 1.2 多孔炭材料的简介19
• 1.3 多孔炭材料的制备方法19-22
• 1.3.1 物理活化法和化学活化法20
• 1.3.2 模板炭化法20-22
• 1.4 氮掺杂多孔炭材料22
• 1.5 氧化还原电解液添加剂22-23
• 1.6 本论文的选题背景及研究内容23-24
• 1.6.1 选题背景23
• 1.6.2 主要研究内容23-24
• 第二章 实验方法及原理24-29
• 2.1 实验主要药品及仪器24-25
• 2.2 材料的表征方法25-26
• 2.2.1 X-射线衍射(XRD)25
• 2.2.2 场发射扫描电子显微镜(FESEM)25
• 2.2.3 高分辨率透射电镜(HRTEM)25-26
• 2.2.4 激光拉曼(Raman)光谱仪26
• 2.2.5 X射线光电子能谱分析(XPS)26
• 2.2.6 比表面积(BET)和孔隙结构分析26
• 2.3 电化学性能测试26-29
• 2.3.1 实验电极的制作26
• 2.3.2 循环伏安测试26-27
• 2.3.3 恒电流充放电测试27-28
• 2.3.4 交流阻抗测试28-29
• 第三章 利用模板法制备氮掺杂纳米多孔炭材料及其电化学性能研究29-45
• 3.1 引言29-30
• 3.2 实验方案30
• 3.3 实验步骤30
• 3.4 实验结果与讨论30-44
• 3.5 结论44-45
• 第四章 利用多模板炭化法制备纳米多孔炭材料及温度对其晶化程度的影响45-59
• 4.1 引言45-46
• 4.2 实验方案46
• 4.3 实验步骤46-47
• 4.4 实验结果与讨论47-58
• 4.5 结论58-59
• 第五章 模板炭化法制备高比表面积纳米多孔炭材料及其电化学性能提升的研究59-75
• 5.1 引言59-60
• 5.2 实验方案60-61
• 5.3 实验步骤61
• 5.4 实验结果与讨论61-74
• 5.5 结论74-75
• 第六章 结论与展望75-76
• 6.1 创新之处75
• 6.2 结论75
• 6.3 展望75-76
• 参考文献76-85
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况85

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本文编号：1042653