碳质掺杂、复合材料的设计合成及其电容性能研究
本文选题:N掺杂活性炭 + 催化活性 ; 参考:《河南师范大学》2017年博士论文
【摘要】:超级电容器是一类绿色、高效的电化学储能器件,具有功率密度高,循环寿命长,充放电快速,工作温度范围宽以及安全、无污染等优势,在功率输出和充放电速度有较高要求的辅助动力电源、启动装置及便携电子产品中有重要应用前景。电极是电荷储存和输出的主体,电极材料比表面积、孔道特征、亲水性、结晶度以及界面氧化还原活性直接决定着超级电容器的储能性能。设计合成高比容电极材料,构建高效储能体系,提高器件储能性能是超级电容器领域目前的主要研究任务。碳材料是一类重要的双电层电极材料,通过优化其比表面积、导电性和亲水性能有效提高储能性能。此外,碳材料可以作为导电基体,通过异质元素掺杂和客体材料的复合衍生出一系列掺杂或复合材料,获得良好电容和催化性能。本论文从多孔碳着手,采用不同前驱体合成了一系列活性炭,通过优化其比表面积、电子离子传质通道和异质元素掺杂,提高其电容性能和催化活性,并构建了不同电解质体系电容器件,利用材料自身及电解质的赝电容贡献提高电极储能容量。此外,通过石墨烯与金属氧化物形成复合物优化电极比容、倍率和循环性能,并与活性炭电极构建非对称电容体系拓宽电压窗口,在维持较高功率密度同时,获得了良好的能量密度和循环性能。具体内容如下:1、以生物质碳源(泡桐花,PF)为前驱体,经过碳化、碱活化处理,制备了具有较高比表面积,富含微孔、介孔/大孔的多级孔道结构,适当石墨化程度和良好表面润湿性的活性碳材料(a-PFC3)。基于a-PFC3的对称超级电容器具有较高比容(297 F g~(-1),1 A g~(-1))、良好的倍率性能和出众的循环稳定性。并能通过多个器件单元的串联组装对外进行电荷输出,显示出良好的应用性能。2、以聚苯胺作为前驱体经过碳化和不同温度碱活化,合成了具有微孔结构、可调N掺杂量及类型的N掺杂活性碳(a-NCs),这类材料在超级电容器中展示出良好电容特性,同时对4-硝基苯酚的氢化反应具有不同程度的催化活性。实验结果表明,活化温度对a-NCs材料的比表面积、N元素含量和类型、石墨化程度以及电容性能和催化活性起着重要作用,因此可以通过操作合成条件调控材料应用性能。较低活化温度(600 oC)所制备a-NC600具备较高N和O含量,因而赝电容贡献较多,因此能提供最佳比容(309F g~(-1),1 A g~(-1))。与之相比,在800 oC活化处理的氮掺杂活性碳材料a-NC800具有较高比表面积及较高石墨化N含量,其电容性能有所降低,但是对4-硝基苯酚的氢化反应具有较理想的非均相催化活性。3、以三聚氰胺海绵-聚苯胺复合物为前驱体,经过简单的碳化处理合成了具有较高比表面积、适当石墨化程度和较高异质元素N含量的氮掺杂多孔碳(NC)。通过调节碳化温度能有效优化电容器件的储能性能。此外,这类NC材料对电解质中碘化物的法拉第反应具有良好催化活性,可通过促进含碘物质的氧化还原反应提高电解质的赝电容贡献,在含0.06 M KI的氧化还原电解质体系中,电极比容达到616 F g~(-1),显示出优越的储能容量,同时能保持较高循环性能。本工作通过催化电极和氧化还原电解质之间的催化反应改善电容器件储能性能,为高比容电容器件的设计提供了新的理念。4、以氧化石墨烯(GO)和P123表面活性剂调控Co_3O_4的组装取向,在泡沫镍集流体表面水热沉积石墨烯-交联阵列多孔Co_3O_4纤维复合物,制作出高比容及高效电子离子传质通道的法拉第电极,在2 M KOH电解液体系中的比容达到2056 F g~(-1)(1 A g~(-1)),同时具有优越的倍率和循环性能;此外,利用富勒烯碳渣制作出较高双电层电容的活性碳。所构建活性炭∥石墨烯-Co_3O_4多孔纤维复合物非对称电容器件电压窗口拓宽至1.6V,能量密度达到50 Wh kg~(-1),同时具有优越的功率密度和循环性能,可用作高性能、长寿命的电容器件。
[Abstract]:Supercapacitor is a kind of green and efficient electrochemical energy storage devices. It has the advantages of high power density, long cycle life, fast charging and discharging, wide working temperature range, safety and no pollution. It has an important application prospect in the auxiliary power supply of power output and charge discharge speed, which has high demand for power output and charge discharge speed. Electrode is the main body of charge storage and output. The specific surface area, pore characteristics, hydrophilicity, crystallinity and interfacial oxidation and reduction activity directly determine the energy storage performance of supercapacitors. The design and synthesis of high specific capacitance electrode materials, the construction of efficient energy storage system and the improvement of the energy storage performance of the device are the main research in the field of supercapacitor. Carbon material is an important kind of double layer electrode material. By optimizing its specific surface area, conductivity and hydrophilic property, carbon materials can effectively improve the energy storage performance. In addition, carbon materials can be used as conductive matrix, and a series of mixed or composite materials are derived by the combination of heterogeneous elements and the compound of the object materials to obtain good capacitance and catalytic performance. In this paper, a series of activated carbons are synthesized from different precursors from porous carbon. By optimizing the specific surface area, electron ion mass transfer channel and hetero element doping, the capacitance and catalytic activity of different electrolyte systems are improved, and the capacitor devices in different electrolyte systems are constructed. The electrode storage is improved by the contribution of the material itself and the contribution of the electrolyte. In addition, by forming a complex of graphene and metal oxide, the specific capacitance, multiplying and cyclic properties of the electrode are optimized, and the voltage window is widened with the active carbon electrode to construct asymmetric capacitance system. At the same time, high power density is maintained, and good energy density and cycle performance are obtained. The specific contents are as follows: 1, biomass carbon source (Paulownia) Flowers, PF) for precursors, by carbonization, alkali activation treatment, a high specific surface area, porous, mesoporous / macroporous multistage structure, appropriate graphitization and good surface wettability of active carbon materials (a-PFC3). A-PFC3 based symmetric super electric containers with high specific volume (297 F g~ (-1), 1 A g~ (-1)), good multiplier The performance and outstanding cyclic stability can be produced by the series assembly of multiple device units, showing a good application performance.2. The polyaniline as a precursor through carbonization and different temperature alkali activation, synthesized a N doped active carbon (a-NCs) with microporous structure, adjustable N doping amount and type. The good capacitance is shown in the stage capacitor and the catalytic activity of the hydrogenation of 4- nitrophenol at the same time. The experimental results show that the activation temperature plays an important role in the specific surface area, the content and type of N elements, the degree of graphitization, the capacitance and the catalytic activity of the a-NCs material, so the synthetic strip can be operated. Compared with the lower activation temperature (600 oC), the a-NC600 has higher N and O content, thus the contribution of the pseudopotential is more, thus the optimum specific volume (309F g~ (-1), 1 A g~ (-1)) is provided. The properties of 4- nitrophenol have been reduced, but the hydrogenated reaction of nitrophenol has an ideal heterogeneous catalytic activity.3. With melamine sponge polyaniline complex as precursor, the nitrogen doped porous carbon (NC) with high specific surface area, proper graphitization degree and higher N content of heterogeneous elements is synthesized through simple carbonization treatment. Adjusting the carbonization temperature can effectively optimize the energy storage performance of the capacitor. In addition, this kind of NC material has good catalytic activity for the Faraday reaction of iodide in electrolytes. By promoting the redox reaction of iodine containing substances to improve the contribution of the electrolyte pseudopotential, the specific capacitance of the electrode is up to 6 in the redox electrolyte system containing 0.06 M KI. 16 F g~ (-1) shows excellent energy storage capacity and high cycling performance. This work improves the energy storage performance of capacitive devices by catalytic reaction between catalytic and redox electrolytes, providing a new idea for the design of high specific capacitance devices, using oxygen fossil Mexico (GO) and P123 surfactants to regulate the Co_3O_4. The Faraday electrode of high specific volume and high efficient electron ion mass transfer channel was produced by hydrothermal deposition of graphene crosslinked Co_3O_4 fiber composite on the surface of foam nickel collector. The specific volume of the Faraday electrode in the 2 M KOH electrolyte system reached 2056 F g~ (-1) (1 A g~ (-1)). The fullerene carbon slag makes the active carbon with high double layer capacitance. The activated carbon -Co_3O_4 porous fiber composite unsymmetrical capacitor voltage window is widened to 1.6V, the energy density reaches 50 Wh kg~ (-1), and has superior power density and cycle performance, which can be used for high performance and long life capacitive devices.
【学位授予单位】:河南师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O646;TM53
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本文编号:1976618
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