掺氮多孔碳的制备及其电化学性能研究

发布时间：2017-05-18 08:18

  本文关键词：掺氮多孔碳的制备及其电化学性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：掺氮多孔碳(NPC)作为一种理想的电极材料,由于其高的比表面积、特殊的孔结构以及大的孔体积吸引了越来越多研究者的关注,但是其差的电子导电性以及低的能量密度和功率密度限制了其在实际中的应用。本论文采用不同方法制备出了形貌新颖的掺氮多孔碳,并对其电化学性能做了详细的研究。采用溶胶凝胶法制备出了掺氮多孔梅枝状碳材料,三聚氰胺-700样品具有最大的含氮量(4.4%)、最高的比表面积(308.5 m2·g-1);三聚氰胺-700电极材料表现了最佳的电化学性能:好的容量性能(电流密度等于0.3 A·g-1时,比容量为254.5 F·g-1)、出色的倍率性能(电流密度等于10.0 A·g-1时,容量为201.5 F·g-1,高达79.2%的容量保持率)以及优良的循环稳定性(3300次循环后,比容量为194.5 F·g-1,容量保持率高达96.5%)。采用常温模板法制备出了氮掺杂的3D网状分级多孔碳泡沫体,最佳温度750°C下制备的NPC-750样品具有高的比表面积(424.941 m2·g-1)、合适的含氮量(1.22%)以及有利的孔径分布(3-4 nm),并且表现出了最好的电化学性能:在电流密度为0.5 A·g-1,NPC-750比容量高达239.30 F·g-1,电流密度增加到10.0 A·g-1时,NPC-750容量仍旧维持在212.90 F·g-1,高达88.97%的容量保持率;5000次循环后,NPC-750比容量衰减率不到10%,容量稳定在200 F·g-1。利用生物质皮皮虾壳直接碳化的方法制备出了氮掺杂的3D多孔层状结构的碳材料(NPLC),最佳温度750°C下制备的NPLC-750样品具有高的比表面积(1275.793 m2·g-1)、分等级的孔结构以及合适的氮含量(1.78%)。NPLC-750材料展现了最突出的电化学性能:在电流密度为0.3 A·g-1,NPLC-750°C材料的比容量高达312.62 F·g-1,电流密度增加到20 A·g-1时,其比容量仍旧保持在278.65 F·g-1,容量保持率高达89.13%,表明NPLC-750具有高的比容量和良好的倍率性能;10000次循环后,电极材料的比容量为262.37 F·g-1,容量保持率高达93.97%,表明该材料具有极好的循环稳定性。另外,通过对称的全电池测试显示,在功率密度为270 W·Kg-1时,NPLC-750能量密度高达15.05 Wh·Kg-1,甚至功率密度高达14580 W·Kg-1时,其能量密度仍保持在10.12 Wh·Kg-1。
【关键词】：超级电容器 掺氮多孔碳 电化学性能 电子导电性
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM53;TQ127.11
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 研究背景和意义11
• 1.2 超级电容器概述11-15
• 1.2.1 超级电容器基本概念11-12
• 1.2.2 超级电容器结构12-13
• 1.2.3 超级电容器的分类13
• 1.2.4 超级电容器的充放电原理13-15
• 1.3 超级电容器电极材料15-21
• 1.3.1 掺氮多孔碳电极材料15-17
• 1.3.2 掺氮多孔碳的制备17-21
• 1.4 课题研究目的及主要内容21-23
• 第2章 实验方法23-30
• 2.1 实验药品和实验仪器23-24
• 2.2 电极材料的制备24-26
• 2.2.1 溶胶凝胶法制备掺氮多孔碳材料24-25
• 2.2.2 常温模板法制备掺氮多孔碳材料25
• 2.2.3 水热模板法制备掺氮多孔碳材料25
• 2.2.4 KOH浸渍生物质法制备掺氮碳多孔碳25-26
• 2.3 电极的制备及模拟电池的组装26-27
• 2.3.1 电极的制备26
• 2.3.2 模拟电池的组装26-27
• 2.4 材料的结构表征27-28
• 2.4.1 扫描电镜(SEM)分析27
• 2.4.2 透射电镜(TEM)分析27
• 2.4.3 X射线衍射(XRD)分析27
• 2.4.4 热重-差热分析27
• 2.4.5 比表面积分析27-28
• 2.4.6 X射线光电子能谱(XPS)分析28
• 2.5 电化学性能表征28-30
• 2.5.1 循环伏安测试28
• 2.5.2 交流阻抗测试28-29
• 2.5.3 充放电测试29-30
• 第3章 溶胶凝胶法制备掺氮多孔碳及电化学性能研究30-38
• 3.1 溶胶凝胶法制备材料的形貌和结构表征30-33
• 3.1.1 TEM形貌表征30-31
• 3.1.2 XRD表征31-32
• 3.1.3 N2吸脱附测试32-33
• 3.1.4 XPS测试33
• 3.2 溶胶凝胶法制备材料的电化学性能分析33-37
• 3.2.1 CV和恒流充放电测试33-35
• 3.2.2 倍率和寿命曲线35-36
• 3.2.3 阻抗谱分析36-37
• 3.3 本章小结37-38
• 第4章 聚合物热解法制备掺氮多孔碳及电化学性能研究38-50
• 4.1 常温搅拌和水热两种方法下制备样品对比分析38-41
• 4.1.1 TEM表征分析38-39
• 4.1.2 电化学性能分析39-41
• 4.2 常温-NPCs样品的表征分析41-49
• 4.2.1 NPCs的结构和形貌表征41-45
• 4.2.2 NPCs材料的电化学性能表征45-49
• 4.3 本章小结49-50
• 第5章 皮皮虾壳碳化制备掺氮多孔碳及电化学性能研究50-65
• 5.1 NPLCs结果与讨论50-60
• 5.1.1 NPLCs形貌和结构表征50-56
• 5.1.2 NPLCs电化学性能分析56-60
• 5.2 皮皮虾壳和三聚氰胺甲醛树脂复合的初步探索60-63
• 5.2.1 C/C-1:2 材料的形貌和结构表征60-61
• 5.2.2 C/C材料的电化学性能61-63
• 5.7 本章小结63-65
• 结论65-66
• 参考文献66-72
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果72-73
• 致谢73-74
• 作者简介74

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本文编号：375546