多层次孔含氮炭纳米结构的结构调控及其电化学性能研究

发布时间：2018-02-01 17:05

本文关键词： 聚吡咯炭纳米纤维石墨烯纳米片多孔石墨化炭超级电容器锂离子电池　出处：《青岛科技大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：活性炭、碳气凝胶、碳纳米结构,价格低廉、广泛碳源和多方优良性能作为超级电容器电极材料和锂离子电池电极材料已经吸引了人们的关注。由于赝电容的存在,在碳材料中掺杂氮原子、硫原子、磷原子、硼原子,能够有效的提高超级电容器容量和导电性,同时杂原子能够在碳原子中形成许多的缺陷而改变碳原子的结构,能够为锂离子电池对锂离子的吸附提供更多的位置。导电聚合物(聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩),作为含氮的前驱体,经过碳化和活化处理,已经被应用于超级电容器中。石墨烯由于能够在双面附着锂离子,作为锂离子电池电极材料,其理论的容量为740 mAh g-1,由于其高的比表面积、高的导电率、高的理论容量和较短的锂离子扩散路径,已经成为锂离子电池负极的一种好的替代。本文我们合成了几种不同形貌的聚吡咯前驱体,并且通过一步活化碳化方法合成了高性能的超级电容器电极材料。我们还合成了聚吡咯/氧化石墨的复合材料,并经过一步高温碳化,获得了良好的锂离子电池负极材料,主要研究内容如下：(1)以聚吡咯纤维为前驱体,以ZnCl2为活化剂,通过一步活化碳化的方法获得了多孔的含氮炭纳米纤维(ACN)。扫描电镜显示制备的碳纳米纤维相互的连接在了一起,与聚吡咯纤维前驱体的形貌相似。透射电镜显示活化含氮炭是无定型的并且表面含有很多的微孔/介孔结构。ACN具有微孔和介孔结构,比表面积高达1062.22 m2 g-1,并且具有高的氮含量(8.47 at.%)和低的氧含量(5.25 at.%)。作为超级电容器电极,ACN比没有活化的CN具有更好的电化学性能,在0.5 A g-1时比容量为290.2 F g-1,而且拥有良好的倍率性能,在电流密度为50 A g-1时,比容量仍为180.5 F g-1。在长循环测试中,ACN在电流密度10A g-1时经历一千个循环后的容量保持率为97%。ACN电极具有较好的电化学性质的原因可以归于其高的氮含量提供更多的赝电容,高的比表面积和良好的孔径分布促进电子在电解液中的迁移。(2)通过高温碳化在氧化石墨表面化学氧化聚合的聚吡咯/氧化石墨复合材料,我们获得了含氮炭/石墨烯复合纳米片(CGC)。 CGC的比表面积高达106.22 m2g-1,孔体积达到了0.382 m3 g-1,含氮量为7.86 at.%。在石墨烯的表面包覆含氮炭材料能够有效的避免氧化石墨在高温还原时发生相互的粘连。作为锂离子电池负极材料,CGC比单纯的聚吡咯球碳化表现出更好的电化学性能。CGC在1Ag-1的可逆容量达到了651.5 mAh g-1,在10Ag-1的容量仍保持了363.7 mAh g-1,表现出了很好的倍率性能。在1A g-1经过100次循环后CGC的容量保持率为100%。CGC良好的倍率性能是由于其高电导率有利于电子输运,而高比表面积可以提供更多的锂离子吸附点,同时缩短锂离子扩散路径。(3)以聚吡咯为前驱体,以氢氧化镍为催化剂,以氢氧化钾为活化剂,通过一步碳化-催化-活化合成了三维的多孔含氮石墨化炭(HPGC)。XRD图谱表明HPGC具有好的石墨化程度。经活化后,HPGC的比表面积达到了2487.2 m2 g-1,孔容达到了1.53 cm3 g-1,微孔的孔容为0.4 cm3 g-1,平均孔径为1.9 nm。作为超级电容器电极材料,以lmol L-1 H2SO4为电解液,HPGC在电流密度为0.5 A g-1的比容量为350.2 F g-1,在电流密度达到20A g-1时比容量为260 F g-1,即使在电流密度达50A g-1时容量的保持率为64.7%。HPGC在循环1000次后,容量没有下降。HPGC的良好的电化学性能和它的简单易合成的特点使其有望成为新的超级电容器电极材料。
[Abstract]:A kind of electrode material of lithium ion battery has been synthesized by one - step activation and carbonization . As a super capacitor electrode , acn has better electrochemical performance than the un - activated CN , and has a specific capacity of 290.2 F g - 1 at 0.5 A g - 1 , and has a specific capacity of 180.5 F g - 1 at a current density of 50 A g - 1 . In the long cycle test , the acn electrode has a better electrochemical properties due to its high nitrogen content providing more pseudo - capacitance , high specific surface area and good pore size distribution to promote the migration of electrons in the electrolyte . The specific surface area of HPGC is as high as 106 . 22 m2g - 1 , the pore volume reaches 0.382 m3 / g - 1 , the nitrogen content is 7.86 at . % .

【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ127.11;TB383.1

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