基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳材料的制备及电化学性能研究

发布时间：2020-05-05 15:29

【摘要】：随着化石能源危机和环境污染问题日趋严重,超级电容器作为一种新型储能元件,具有长的循环寿命、高的安全性能和较宽的使用温度范围等优势而被广泛应用。电极材料对超级电容器的电化学性能起着关键性作用,是近期超级电容器的研究热点。电极材料主要包括碳材料、导电聚合物和金属氧化物等。金属有机框架化合物(MOFs)作为一种新型多功能的晶体状多孔材料,有较大比表面积、可控孔道结构等优势,在催化剂、传感器和发光材料等研究领域应用广泛。本论文通过静置法合成ZIF-8为前驱体,直接碳化后得到基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳材料,再通过原位生长法制备氮掺杂多孔碳复合材料,将氮掺杂多孔碳材料及其复合物作为电极材料,组装对称超级电容器,对其实际应用价值进行评价。主要研究内容如下:通过直接碳化法来合成基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳材料(HPNCs),且较为系统地研究了不同Zn~(2+)源对HPNCs的形貌结构和电化学性能的影响,可知由醋酸锌制备的氮掺杂多孔碳材料(HPNCs-C8)比由硝酸锌得到的氮掺杂多孔碳材料(HPNCs-N8)做电极材料所测的电化学性能更好一些。HPNCs-C8在0.25 A/g电流密度下的比电容为300F/g,并表现出较好的倍率性能。所组装成的HPNCs-C8//HPNCs-C8对称超级电容器在0-1.8 V电压窗口下,当功率密度为0.79 kW/kg时,能量密度是24.8 Wh/kg。为了降低HPNCs的团聚现象,我们从天然荷花粉中得到中空交联蜂巢状的碳球来作为碳源和模版,在碳球表面对HPNCs进行原位生长,从而制备出基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳材料与3D中空交联碳球复合材料(HPNCs/CS)。HPNCs/CS在1 A/g电流密度下的比电容是280 F/g,相对于单一材料(HPNCs)展现出较高的倍率性能和循环稳定性能。所组装成的HPNCs/CS//HPNCs/CS对称超级电容器在0-1.8 V电压窗口下,当功率密度为0.45 kW/kg时,能量密度为16.2 Wh/kg。将还原氧化石墨替代中空交联碳球与HPNCs进行复合,得到基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳材料与还原氧化石墨复合材料(HPNCs/rGO),系统地探究了碳化温度、加入的石墨量对材料形貌和电化学性能的影响。通过相应测试可知,在加入8 mg GO,800°C碳化时所得的复合材料表现出更好的电化学性能,并且相对HPNCs/CS提升了能量密度。HPNCs/rGO在0.5 A/g的电流密度下比电容为298 F/g,组装成对称超级电容器,在0-1.8 V的电压窗口下,当功率密度为0.475 kW/kg时,能量密度达到18.0 Wh/kg。
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超级电容器,性能对比

哈尔滨工程大学硕士学位论文级电容器的概述级电容器又称为超级电容或者电化学电容器，是一种介于电池和传统电容储能元件。图 1.1 为几种储能装备的能量密度和功率密度，不同区域范围存储装备所起的不同作用。超级电容器具有较高的能量转换效率、快速的较高的功率密度、更长的循环稳定寿命和绿色环保等优势，填补了传统电间的缺陷，并且，超级电容器能够存储大量的电荷，，相比于可重复充放电更高的额定功率下提供能量。超级电容器的能量密度相比于电池和燃料实际应用中，为了满足更长周期的能量供给，超级电容器可以与电池或者结合使用。因此，在保持高功率密度的前提下，提升超级电容器的能量密任务，使超级电容器的输出能量达到电池体系的输出能量。因此，超级电料成为当前的研究热点。

超级电容器,双电层,电容器

图 1.2 超级电容器的结构器的分类根据电荷储存机制不同被分为三类：ce）、双电层超级电容器（Electrochemical Double-层和赝电容组合构成的复合型电容器（Hybrid Cap
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TM53

【参考文献】