多级孔先进碳材料的制备及其双电层电容性能研究

发布时间：2017-07-25 17:09

  本文关键词：多级孔先进碳材料的制备及其双电层电容性能研究

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【摘要】：超级电容器作为一种新型的能量储存装置以其高功率密度、优异的倍率性能、良好的循环性能和工作温度范围宽、安全性能高等优点在混合动力汽车驱动电源、不间断电脑电源、电力系统、存储备份系统和冷态启动系统等应用领域扮演了重要角色。目前应用领域最广,商业化最成熟的超级电容器电极材料仍是碳质材料。碳材料不仅来源广泛、价格低廉,而且具有比表面积大和孔径可以调控等优点,因此备受研究者青睐。本论文力求探索出既简单易行又经济环保的方法制备性能优异的超级电容器碳材料,期许在超级电容器中得到商业化应用。本论文主要的研究工作如下:(1)以有机单体N-羟乙基苯胺为前驱体,采用软模板法一锅合成聚N-羟乙基苯胺,再经过KOH化学活化制得氮掺杂多孔碳材料。采用扫描和透射电子显电镜、X射线衍射、比表面积测试和X射线光电子能谱等手段对所制得的氮掺杂多孔碳材料的结构和组分进行了表征。结果表明,在800℃活化制得氮掺杂多孔碳材料具有类似花生壳状的形貌和大量的中微孔结构、高的比表面积(高达3103m~2g~(-1)),电流密度1Ag~(-1)时单电极比电容最高可达356Fg~(-1),且具有优异的循环稳定性和高的功率密度和能量密度,综合性能优于商业化活性碳。(2)利用原位自组装模板法合成结构新颖的三维多孔氮掺杂碳气凝胶。以PVA/PEA(N-羟乙基苯胺)作为前驱体和硼酸(BA)作为交联剂和原位模板,通过硼酸离子[B(OH)_4~(-1)]与PVA的羟基或PNPEA的羟基分子内脱水形成PVA-borate-PNPEA水凝胶骨架,再经过冷冻干燥、碳化和活化过程制备三维多孔碳气凝胶。研究结果表明,三维多孔碳气凝胶具有多级孔结构、高的比表面积(2016m~2g~(-1))、杂原子掺杂以及超亲水性等优点,且具有高的比电容、良好的循环稳定性和优异的倍率性能。制备方法具有简单易行、成本低廉、产品电化学性能优异等优点,为实现产品在超级电容器中大规模应用奠定了基础。(3)以原料易得、价格低廉的生物质决明子为碳源和氮源,一步法制备出无定型多孔碳材料。通过调控活化剂草酸钾的比例和温度优化出制备条件为:决明子与草酸钾质量比为1:3,热解活化温度700℃时,制备的材料具有最佳比电容。通过系列的结构分析手段和电化学分析技术对无定型多孔碳材料的结构、组成和电化学性能进行了初步的探索研究。分析结果说明,生物质基多孔碳材料具有合理的孔径分布、高的比表面积和氮杂原子掺杂,高的比电容、优良的循环稳定性和高的功率密度和能量密度。
【关键词】：超级电容器 碳材料 氮掺杂 活化 双电层电容
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM53
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 超级电容器概述11-12
• 1.2 超级电容器基本结构及工作原理12-13
• 1.2.1 超级电容器基本结构12
• 1.2.2 超级电容器的工作原理12-13
• 1.3 超级电容器的特点13
• 1.4 超级电容器的应用前景及发展现状13-14
• 1.5 超级电容器电极材料的研究进展14-19
• 1.5.1 活性炭材料16-17
• 1.5.2 碳气凝胶17-18
• 1.5.3 碳纳米管18
• 1.5.4 模板碳18-19
• 1.6 本论文的选题依据、意义和主要研究内容和方法19-23
• 1.6.1 选题依据、意义19-20
• 1.6.2 研究内容20
• 1.6.3 研究方法20-23
• 第二章 花生壳状氮掺杂多孔碳材料的制备及其在超级电容器中的应用研究23-37
• 2.1 前言23-24
• 2.2 实验部分24-25
• 2.2.1 实验试剂24
• 2.2.2 实验仪器24-25
• 2.2.3 花生壳状氮掺杂多孔碳材料的制备25
• 2.3 花生壳状氮掺杂多孔碳材料的结构表征25-29
• 2.3.1 花生壳状氮掺杂多孔碳材料的SEM和TEM表征25-26
• 2.3.2 花生壳状氮掺杂多孔碳材料的XRD和BET表征26-28
• 2.3.3 花生壳状氮掺杂多孔碳材料的Raman和XPS表征28-29
• 2.4 花生壳状氮掺杂多孔碳材料电化学性能测试29-33
• 2.4.1 花生壳状氮掺杂多孔碳材料的CV及GDC测试29-30
• 2.4.2 花生壳状氮掺杂多孔碳材料的质量比电容及Ragone Plot曲线30-31
• 2.4.3 花生壳状氮掺杂多孔碳材料的循环寿命、EIS测试31-33
• 2.4.4 花生壳状氮掺杂多孔碳材料在超级电容器中的应用33
• 2.5 花生壳状氮掺杂多孔碳材料的形成机理推断33-34
• 2.6 花生壳状氮掺杂多孔碳材料的构效关系研究34
• 2.7 本章小结34-37
• 第三章 原位自组装模板法制备超亲水氮掺杂碳气凝胶超级电容器电极材料37-55
• 3.1 前言37-38
• 3.2 实验部分38-40
• 3.2.1 实验试剂38
• 3.2.2 实验仪器38-39
• 3.2.3 碳气凝胶电极材料的制备39
• 3.2.4 碳气凝胶的结构表征和电化学性能测试39-40
• 3.3 碳气凝胶的结构表征40-47
• 3.3.1 碳气凝胶的SEM和TEM表征40-42
• 3.3.2 碳气凝胶的XRD和BET表征42-43
• 3.3.3 碳气凝胶的XPS、Raman和FTIR表征43-45
• 3.3.4 碳气凝胶的接触角测试45-47
• 3.4 碳气凝胶的电化学性能测试47-52
• 3.4.1 碳气凝胶的CV和GDC测试47-48
• 3.4.2 碳气凝胶的循环稳定性及Ragone Plot测试48-49
• 3.4.3 碳气凝胶的EIS测试49-50
• 3.4.4 碳气凝胶样品在超级电容器中的应用50-52
• 3.5 碳气凝胶的形成机理推断52
• 3.6 碳气凝胶的构效关系研究52-53
• 3.7 本章小结53-55
• 第四章 生物质制备氮掺杂高性能电极材料55-67
• 4.1 引言55
• 4.2 实验部分55-57
• 4.2.1 实验试剂55-56
• 4.2.2 实验仪器56
• 4.2.3 生物质氮掺杂碳材料的制备56-57
• 4.3 决明子氮掺杂碳材料的结构表征57-61
• 4.3.1 决明子氮掺杂碳材料的SEM和TEM表征57-58
• 4.3.2 决明子氮掺杂碳材料的BET及孔径分布表征58-59
• 4.3.3 决明子氮掺杂碳材料的XRD和FTIR表征59-60
• 4.3.4 决明子氮掺杂碳材料的Raman和XPS表征60-61
• 4.4 决明子基氮掺杂碳材料的电化学性能研究61-65
• 4.4.1 决明子基氮掺杂碳材料的CV和GDC测试61-63
• 4.4.2 决明子基氮掺杂碳材料的循环寿命及Ragone Plot测试63-64
• 4.4.3 决明子基氮掺杂碳材料的EIS测试64-65
• 4.5 决明子氮掺杂碳材料的机理推断65
• 4.6 决明子氮掺杂碳材料的构效关系研究65
• 4.7 本章小节65-67
• 第五章 总结与展望67-69
• 参考文献69-77
• 致谢77-78
• 攻读学位期间发表的学术论文目录78-79

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本文编号：572344