氮掺杂碳材料的制备及其电容性能的研究

发布时间：2017-07-17 08:08

  本文关键词：氮掺杂碳材料的制备及其电容性能的研究

  更多相关文章： 氮掺杂碳材料 表面组成 结构特性 电化学性能

【摘要】：超级电容器是一种新型储能装置,因其具有高功率密度、长循环寿命、宽温度适应范围以及快充放电速率等优点而成为当今能源领域的研究重点。电极材料在超级电容器中扮演着重要角色,其结构和组成很大程度上影响超级电容器的整体性能和应用领域。碳材料具有独特的物理化学和电子性质,以它为基础作为电极材料的研究具有广阔的应用前景,高比表面积、适宜的孔结构、表面化学性质、良好的导电性及高性价比是考评碳材料作为优异的电化学电容器电极材料的主要指标。研究表明氮原子掺杂碳材料能有效提高碳材料的润湿性、电导性以及电容性能。本论文以提高碳材料的电化学性能着手,合成出一系列不同形貌的氮掺杂碳材料。利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)研究了产物的形貌,X射线衍射(XRD)和氮气等温吸附脱附曲线(BET)分别对材料的孔结构进行了表征。采用X射线光电子能谱(XPS)和元素分析(EA)、红外光谱(IR)等表征手段对材料表面化学性质以及元素组成进行分析。用循环伏安(CV)扫描、恒流充放电(GCD)、电化学交流阻抗(EIS)等电化学测试技术研究了产物的电容性能。主要包括以下内容:(1)以聚吡咯为氮源和碳源,三氯化铁作为氧化剂和碳催化剂,通过氧化聚合和催化碳化的方法制备了三维的氮掺杂碳材料。在合成过程中,三氯化铁作为氧化剂,用于氧化聚合吡咯单体。同时,三氯化铁也作为碳催化剂,促进氮掺杂碳材料的形成。当吡咯和三氯化铁的摩尔比改变时,其氮掺杂碳材料的孔径和比表面积也发生改变。(2)分别以尿素、氨水、三聚氰胺、三乙醇胺、三乙烯四乙胺、乙二胺为氮源,以氧化石墨烯为碳源,通过简单水热合成法制备了氮掺杂石墨烯,在氮气保护下高温煅烧。研究结果表明以三聚氰胺为氮源制备的氮掺杂石墨烯具有相对较高的含氮量、较大的比表面积以及较高的比电容。(3)以三聚氰胺为氮源,甲醛作为交联剂,三嵌段共聚物F127为软模板,氢氧化钾为活化剂通过控制合成方法制备出蜂窝状氮掺杂碳材料。BET表征结果表明该蜂窝状氮掺杂碳材料具有较高的比表面积高达2094.28 m2 g-1。电化学测试结果表明,氮原子的掺入能够在很大程度上提高了蜂窝状氮掺杂碳材料的电化学活性,当该电极材料电流密度为0.5 A g-1时,它的比电容高达409 F g-1,当电流密度由0.5 A g-1增加到20 A g-1时其比电容为320 F g-1,其保持率高达78.3%,表明该蜂窝状氮掺杂碳材料具有优秀的速率性能。同时,该材料也拥有一个好的循环稳定性(10000圈后具98%的保持率)。研究结果表明该蜂窝状氮掺杂碳材料是一种极具应用价值的电极材料。纵观全文,采用不同的有机分子作为氮源和碳源,针对性地设计反应路线,实现了新型氮掺杂碳纳米材料组成、结构的调控,进而实现了其超级电容器电容性能的提高。
【关键词】：氮掺杂碳材料 表面组成 结构特性 电化学性能
【学位授予单位】：西北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 引言12
• 1.2 超级电容器简介12-20
• 1.2.1 超级电容器的分类12-15
• 1.2.2 超级电容器的组成15-19
• 1.2.3 超级电容器的优势、特点、性能评价19-20
• 1.3 氮掺杂碳材料20-25
• 1.3.1 氮掺杂碳材料的性质20-21
• 1.3.2 氮掺杂碳材料的合成21-22
• 1.3.3 氮掺杂碳材料的应用22-25
• 1.4 论文的选题及研究意义25-28
• 第二章 实验药品和仪器28-32
• 2.1 实验药品28-29
• 2.2 仪器及设备29-30
• 2.3 结构与性能表征30-32
• 第三章 层状结构的氮掺杂碳材料用于超级电容器32-46
• 3.1 引言32-33
• 3.2 实验部分33-35
• 3.2.1 3D N-CNs的制备33-34
• 3.2.2 电极的制备34-35
• 3.3 结果与讨论35-44
• 3.3.1 N-CNs的形貌与结构35-41
• 3.3.2 N-CNs的电化学行为41-44
• 3.4 结论44-46
• 第四章 不同氮源制备氮掺杂石墨烯及其电容性能的研究46-58
• 4.1 引言46-47
• 4.2 实验部分47-49
• 4.2.1 氧化石墨的制备47
• 4.2.2 石墨烯的制备：47-48
• 4.2.3 氮掺杂石墨烯的制备48
• 4.2.4 电极的制备48-49
• 4.3 结果与讨论49-57
• 4.3.1 氮掺杂石墨烯的形貌与结构49-54
• 4.3.2 氮掺杂石墨烯的电化学行为54-57
• 4.4 结论57-58
• 第五章 蜂窝状氮掺杂碳材料的制备及其电容性能的研究58-72
• 5.1 引言58-59
• 5.2 实验部分59-61
• 5.2.1 制备59-60
• 5.2.2 电极的制备60-61
• 5.3 实验结果与讨论61-71
• 5.3.1 产物的形貌与结构61-67
• 5.3.2 NHPC和NPC的电化学行为67-71
• 5.4 结论71-72
• 第六章 总结与展望72-74
• 6.1 论文结论与创新点72-73
• 6.2 论文存在的问题及课题展望73-74
• 参考文献74-88
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况88-89
• 致谢89

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