几丁质基氮掺杂多孔炭材料的制备及其电化学性能研究
发布时间：2020-03-19 12:21
【摘要】：目前,低碳环保助力经济可持续发展是当下研究者面临的一大挑战。超级电容器作为一种新型的储能元件,因其具备良好的倍率特性及电荷存储能力、高功率密度、长循环寿命以及宽温度适应范围等优点,在能源、通讯、轨道交通等诸多领域得到了成功适用,其电极材料类型将直接影响电容器性能。炭材料依托其原料丰富、成本低廉且较高的比表面积可获得较大的比电容成为迄今为止商业化运行最好的电极材料。而氮掺杂炭材料因其富电子氮及孤对电子的存在,在电化学性能方面展现了广阔的发展空间。本文采用几丁质为前驱体,围绕富氮多孔炭材料的可控制备及其电化学储能之间的构效关系,展开了系统的研究。采用热失重分析、氮气吸脱附等温线、X射线衍射、场发射扫描电子显微镜和X射线光电子能谱等对几丁质的热解行为、氮掺杂炭材料的形貌、结构及表面化学性质进行表征,并通过电化学工作站循环伏安、恒电流充放电及交流阻抗测试对氮掺杂材料的电化学性能进行综合评价。本文的研究内容及结论如下:(1)使用几丁质生物质蝉蜕为炭源和氮源,采用空气预炭化联合KOH活化制备氮掺杂炭材料(CSC-x),并研究了不同碱炭(蝉蜕炭,CS char)比(x=0.5、1、2、3)对材料性能的影响。结果表明,当KOH:CS char=2时,制得的材料CSC-2比表面积为1745 m~2 g~(-1)。在三电极体系中,CSC-2在电流密度为0.5 A g~(-1)时,其比电容高达266.5 F g~(-1),且表现出良好的倍率性能(20 A g~(-1)时比电容196.2F g~(-1))和循环稳定性(5000次循环后,比容量保持率92.7%),这主要归功于氮氧杂原子的掺杂。同时,CSC-2在对称两电极体系下,当电流密度为5 A g~(-1)时,拥有较高的能量密度(15.97W h kg~(-1))和功率密度(5000W kg~(-1))。(2)使用纯几丁质为碳源,NH_4HCO_3、(NH_4)_2SO_4和NH_4Cl三种铵盐为致孔剂和氮源,采用直接热解法制备富氮掺杂炭材料NC。孔结构和表面元素分析表明,NH_4Cl具有最优异的致孔作用及氮掺杂效果。热分析结果发现,三种铵盐中NH_4Cl的分解温度最接近几丁质的分解温度,此外NH_4Cl热分解过程中产生的NH_3不仅能辅助扩孔,而且能成功地将氮原子引入到碳骨架中,生成电化学活性较强的吡咯和吡啶氮官能团。此外,还研究了氯化铵与几丁质的质量比(0.5、1、2)对材料的结构和电化学性能的影响。结果表明当质量比为1时,制得的材料NC-NH_4Cl-1,在电流密度为1 A g~(-1)时,比电容约为274 F g~(-1)。在两电极体系下,NC-NH_4Cl-1拥有11.11 W h kg~(-1)的能量密度及10000 W kg~(-1)的功率密度。
【图文】：
[3]。因此如何有效提高电容器的能量密度是当下研究的热点。图1.1是不同储能器件的比能量及比功率密度关系的Ragone图。通过改进超级电容器的结构设计，可以使其功率密度和能量密度同时涵盖几个数量级，故而使得超级电容器可独立作为能源供应系统或与电池一起作为混合动力系统。高比功率以及高比能量的有效结合，使得超级电容器填补了传统电容器与二次电池之间的空白，，也有效弥补了电池和燃料电池等其他电源的不足[4]。图 1.1 不同储能装置的比能量和比功率的 Ragone 图[5]Fig. 1.1 Reagone plot of specific power against specific energy for energy storage
1.2.2 超级电容器的工作机理及分类超级电容器的工作机理主要是依靠电荷或电解液离子间的迁移作用。如图1.2所示，超级电容器主要由以下几个部分构成，具体包括电极、集流体、电解液、隔膜及外壳等。电容器使用不同的电解液体系和电极材料，其储能原理也大相径庭。通常超级电容器有三种分类方式[8]：（1）按照储能机理不同可以分为: ①双电层电容器(Electric Double LayerCapacitors，EDLCs)。EDLCs电极材料主要为炭材料，其工作原理是在电极表面与电解液中的电解质离子形成双电层。EDLCs充放电过程为电荷的物理迁移过程也称静电过程，因此炭材料的比表面积成为其电荷存储量的关键。一般而言，若想要提高材料比电容，需提高材料比表面积。同时，由于EDLCs一般不会发生法拉第氧化还原反应，因此性能稳定且循环性能优异、循环寿命长是双电层电容器的显著特征。但其缺点也较为明显，双电层电容器比容量及能量密度较低限制了其实际应用。②法拉第赝电容器（Pseudo-Capacitors）。赝电容的产生主要由于活性物质或电解质离子在电极表面或体相内部发生可逆的氧化还原反应及化学吸脱附行为[9]，其电极材料多为高分子导电聚合物或金属氧化物。此外，由于赝电容能够深入电极体相内，因此，一般情况下可获得比EDLCs更高的比电容和能量及功率密度[10]。③混合电容器。（2）按电解液类型的不同可分为：①水系电解液。由于其成本低廉、导电性能优异、与电极材料的孔道结构能充分浸润等优势被广泛应用于电化学领域。水系电解液包括中性、酸性和碱性电解液。其中，KOH溶液是碱性电解液中使
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM53;TQ127.11
本文编号：2590214
【图文】：
[3]。因此如何有效提高电容器的能量密度是当下研究的热点。图1.1是不同储能器件的比能量及比功率密度关系的Ragone图。通过改进超级电容器的结构设计，可以使其功率密度和能量密度同时涵盖几个数量级，故而使得超级电容器可独立作为能源供应系统或与电池一起作为混合动力系统。高比功率以及高比能量的有效结合，使得超级电容器填补了传统电容器与二次电池之间的空白，，也有效弥补了电池和燃料电池等其他电源的不足[4]。图 1.1 不同储能装置的比能量和比功率的 Ragone 图[5]Fig. 1.1 Reagone plot of specific power against specific energy for energy storage
1.2.2 超级电容器的工作机理及分类超级电容器的工作机理主要是依靠电荷或电解液离子间的迁移作用。如图1.2所示，超级电容器主要由以下几个部分构成，具体包括电极、集流体、电解液、隔膜及外壳等。电容器使用不同的电解液体系和电极材料，其储能原理也大相径庭。通常超级电容器有三种分类方式[8]：（1）按照储能机理不同可以分为: ①双电层电容器(Electric Double LayerCapacitors，EDLCs)。EDLCs电极材料主要为炭材料，其工作原理是在电极表面与电解液中的电解质离子形成双电层。EDLCs充放电过程为电荷的物理迁移过程也称静电过程，因此炭材料的比表面积成为其电荷存储量的关键。一般而言，若想要提高材料比电容，需提高材料比表面积。同时，由于EDLCs一般不会发生法拉第氧化还原反应，因此性能稳定且循环性能优异、循环寿命长是双电层电容器的显著特征。但其缺点也较为明显，双电层电容器比容量及能量密度较低限制了其实际应用。②法拉第赝电容器（Pseudo-Capacitors）。赝电容的产生主要由于活性物质或电解质离子在电极表面或体相内部发生可逆的氧化还原反应及化学吸脱附行为[9]，其电极材料多为高分子导电聚合物或金属氧化物。此外，由于赝电容能够深入电极体相内，因此，一般情况下可获得比EDLCs更高的比电容和能量及功率密度[10]。③混合电容器。（2）按电解液类型的不同可分为：①水系电解液。由于其成本低廉、导电性能优异、与电极材料的孔道结构能充分浸润等优势被广泛应用于电化学领域。水系电解液包括中性、酸性和碱性电解液。其中，KOH溶液是碱性电解液中使
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM53;TQ127.11
【参考文献】
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2 刘云朋;氮掺杂有序介孔碳对石化废水中五氯酚的选择性吸附[D];浙江大学;2014年
3 王冠;超级电容器电极材料的制备及其性能的研究[D];清华大学;2011年
本文编号：2590214
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