基于类沸石金属有机骨架材料的超电容电极材料研究

发布时间：2017-12-05 01:29

  本文关键词：基于类沸石金属有机骨架材料的超电容电极材料研究

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【摘要】：电化学电容器作为一种新型能源存储设备,其具备较高的功率密度与能量密度,较好的环境友好性以及长期的循环稳定性,已经广泛应用于各个领域。然而电化学电容器的电容性能受到诸多因素影响,诸如电解质、隔膜材料以及电极材料等等,其中电极材料作为超级电容器的核心组成部分,对电容性能的好坏影响较为关键。由此,发展新型的、拥有高比电容值、优越功率特性以及长时间循环寿命的电极材料是当前提高超级电容器性能的有效途径。本论文以制备拥有高比电容值、优越功率特性以及长时间循环寿命的超级电容器电极材料为目标,通过不同的制备方法得到了多种多孔碳电极材料,并采用多种表征技术以及电化学分析途径探究了它们的形貌、结构及其电化学电容性能。具体的研究内容如下：(1)选择类沸石金属有机骨架材料(ZIF~(-1)1)为前驱体,通过直接高温碳化制备氮掺杂的多孔碳多面体材料(N-PCMPs),并通过熔融的KOH对其进行进一步地活化。活化后的氮掺杂多孔碳多面体(N-PCMPs-A)采用扫描电子显微镜(SEM)、元素分析仪、比表面积及孔隙度分析仪以及X射线衍射仪(XRD)对其形貌和结构进行表征分析。利用循环伏安法以及恒电流充放电法在10 M H2SO4电解液中对该类材料进行电容性能研究。结果显示：与N-PCMPs相比,N-PCMPs-A拥有更高的比表面积(2188 m2 g~(-1)),同时具有更优越的比电容值(1 A g~(-1)的电流密度下高达307Fg~(-1))。此外,N-PCMPs-A在10Ag~(-1)的电流密度下循环充放电测试4000圈,保持率仍有90%。所有的这些均显示出N-PCMPs-A材料在超级电容器应用中具有很好的前景。(2)通过一个简单的制备过程,选择苯硼酸作为硼源,ZIF~(-1)1作为碳前驱体,成功制备了高浓度的硼与氮共掺杂的多孔碳多面体材料(BN-PCPs)。采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、比表面积及孔隙度分析仪、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪以及X射线光电子能谱对制备得到的BN-PCPs材料进行形貌和结构分析。利用循环伏安法以及恒电流充放电法在1.0M H2SO4电解液中对该类材料进行电容性能研究。结果显示：该材料中硼与氮含量分别高达10.68 atom%以及8.10 atom%且分布相对均匀,同时该材料呈现出优越的电容性能,在1.0 M H2SO4电解液中20 mV s~(-1)的扫描速度下,其比电容值高达262 F g~(-1)。此外,其循环稳定性在20 A g~(-1)电流密度下测试发现其充放电循环寿命在40000圈后仍没有任何衰减。(3)选择ZnO纳米棒作为模板,在2-甲基咪唑溶液中利用制备ZIF-8材料的成核原理在ZnO纳米棒上生长一层ZIF-8,经低温碳化再酸刻蚀后制备出中空结构的碳纳米管(HCNTs)。再经进一步的高温碳化和KOH处理后制备出三维分层多孔碳材料(3D-HPC)。制备得到的3D-HPC材料通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、比表面积及孔隙度分析仪以及X射线衍射仪(XRD)对其形貌和结构进行表征分析。利用循环伏安法以及恒电流充放电法在1.0 MH2S04电解液中对该类材料进行电容性能研究。结果显示：该三维分层多孔碳材料拥有更高的比表面积(1889 m2 g~(-1)),同时呈现出优越的电容性能,在1 MH2S04电解液中20 mV s~(-1)的扫描速度下,其比电容值有217 Fg~(-1)。此外,其循环稳定性在20 A g~(-1)电流密度下测试发现其充放电循环寿命在10000圈后仍保持有94%。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O641.4;TM53
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本文编号：1253099