多孔碳纳米复合材料的制备电化学及其电化学性能研究

发布时间：2017-04-29 17:12

  本文关键词：多孔碳纳米复合材料的制备电化学及其电化学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：多孔碳由于其比容量高,导电性好,大电流密度下容量保有率高且成本低,原料丰富等优点,已经成为人们研究锂离子电池负极材料及超级电容器电极材料的热点。对多孔碳石墨化处理能提高其导电性。通过异质原子掺杂能够在碳基材料中引入赝电容效应进而提高其能量密度;异质原子掺杂的多孔碳骨架复合氧化物纳米结构不仅能够有效提高电极材料的电子导电率,而且能够缩短锂离子扩散路径并提供良好的应力缓释作用。金属锡有许多优异的电化学性能,但是在充放电过程中体积变化剧烈而破坏材料的结构,造成容量迅速衰减。解决这一难题的有效办法就是制备一种多孔碳/锡纳米复合材料。本文通过化学原位氧化法合成了聚苯胺前驱体与聚苯胺/氧化石墨纳米复合材料,并对其进行了一步高温碳化、活化及石墨化获得一种高度石墨化多孔含氮碳材料;通过直接碳化得到一种多孔碳/锡纳米复合材料。主要研究内容如下:(1)以聚苯胺为前驱体,氢氧化钾作为活化剂,镍氰化钾提供的镍为催化剂通一步催化碳化、催化、活化法制备一种三维多孔石墨化含氮碳材料(HPGCN)。XRD测试发现HPGCN有明显的石墨化碳,而HPCN中观察不到石墨碳产生的晶格条纹。对其进行电容性能分析,HPGCN和HPCN在0.5 A g-1时的比容量分别为335.2 F g-1,263 F g-1,当电流密度为增加到10 A g-1时比容量分别为286.3 F g-1,210 F g-1。(2)以聚苯胺/氧化石墨为前驱体,通过一步高温碳化、催化、活化法制备了一种石墨化三维多孔含氮碳/石墨烯(GCNG)纳米复合材料。通过SEM与TEM对其观察发现GCNG是多孔片网结构,孔壁上均匀地分散着许多小孔,使得整个材料都是连通的。通过XRD对其表征发现GCNG比CNG的石墨化程度强很多。对其进行了锂电性能测试,GCNG在电流密度大小为0.1 A g-1时首次放电比容量分别为1445.1 mAh g-1,首循环库伦效率为61.6%。并且GCNG的长循环稳定性非常好。(3)使用聚丙烯酸钠与锡酸钠为原材料,高温下一步碳化得到多孔碳/锡纳米复合材料(HPC/Sn)。通过SEM分析发HPC/Sn为100 nm左右的锡颗粒均匀地分散在多孔碳网上的复合结构。通过对其使用XRD表征,证明分布在多孔碳网上的颗粒为单质锡,通过蓝电(Land-CT2001A)对其进行了锂电性能测试。HPC/Sn电极在电流密度大小为0.1 A g-1时,首次放电比容量为1652.1 mAh g-1,首循环库伦效率为59.61%,HPC电极在电流密度大小为0.1 A g-1时首循环放电比容量为1302.6 mAh g-1。可以看出由于锡颗粒的存在,使得HPC/Sn的放电比容量与首循环效率都有所提高。通过测试发现HPC/Sn电极的倍率性能与长循环性能都很高,可以得出结论,HPC/Sn电极在大电流充放电过程中材料的微观结构并没有被破坏,说明多孔碳网能够有效地抑制锡颗粒在充放电过程中的体积膨胀。
【关键词】：聚苯胺 石墨化含氮碳 超级电容器锂离子 电池多孔碳/锡
【学位授予单位】：青岛科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB33
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章绪论12-34
• 1.1 引言12-13
• 1.2 超级电容器简介13-18
• 1.2.1 超级电容器的种类14
• 1.2.2 超级电容器的工作原理14-16
• 1.2.3 超级电容器的特点16-17
• 1.2.4 超级电容器的电极材料17-18
• 1.3 锂离子电池简介18-22
• 1.3.1 锂离子电池的发展史18-19
• 1.3.2 锂离子电池的工作原理19-20
• 1.3.3 锂离子电池的特点20
• 1.3.4 锂离子电池电极材料20-22
• 1.4 聚苯胺22-26
• 1.4.1 聚苯胺的结构23
• 1.4.2 聚苯胺合成方法23-25
• 1.4.3 聚苯胺的电学与电化学性质25
• 1.4.4 聚苯胺的掺杂机制25-26
• 1.5 石墨烯材料在锂离子电池中的应用26-32
• 1.5.1 石墨烯简介26
• 1.5.2 石墨烯结构26-27
• 1.5.3 石墨烯的性质27
• 1.5.4 石墨烯的制备27-28
• 1.5.5 导电聚合物/石墨烯纳米复合材料的合成28-31
• 1.5.6 石墨烯在锂离子电池负极活性材料31-32
• 1.6 课题的提出32-34
• 第二章三维多孔石墨化含氮碳的合成及其电容性能研究34-46
• 2.1 引言34-35
• 2.2 实验部分35-38
• 2.2.1 化学试剂及来源35-36
• 2.2.2 仪器及设备36
• 2.2.3 实验方法36-37
• 2.2.4 表征37-38
• 2.3 结果讨论38-43
• 2.3.1 HPGCN与HPCN的表面形貌分析38-39
• 2.3.2 HPGCN与HPCN的石墨化分析39-40
• 2.3.3 HPGCN的XPS分析40-41
• 2.3.4 HPGCN与HPCN的电化学性能分析41-43
• 2.4 本章小结43-46
• 第三章石墨化氮掺杂碳/石墨烯纳米复合材料的合成及其锂电性能研究46-60
• 3.1 引言46-47
• 3.2 实验部分47-50
• 3.2.1 实验药品及来源47
• 3.2.2 实验所用仪器设备47-48
• 3.2.3 实验方法48-49
• 3.2.4 表征49-50
• 3.3 结果讨论50-57
• 3.3.1 PANI/GO的形貌分析50
• 3.3.2 GCNG与CNG的形貌分析50-52
• 3.3.3 GCNG与CNG的石墨化分析52-53
• 3.3.4 GCNG的XPS分析53-54
• 3.3.5 GCNG与CNG的电化学性能分析54-57
• 3.4 本章小结57-60
• 第四章多孔碳/锡纳米复合材料的制备及其锂电性能研究60-72
• 4.1 引言60-61
• 4.2 实验部分61-63
• 4.2.1 实验试剂及来源61
• 4.2.2 实验所用仪器设备61-62
• 4.2.3 实验方法62
• 4.2.4 表征62-63
• 4.3 结果讨论63-71
• 4.3.1 HPC/Sn的XRD分析63
• 4.3.2 HPC/Sn与HPC的拉曼光谱分析63-64
• 4.3.3 HPC/Sn与HPC的表面形貌分析64-67
• 4.3.4 HPC/Sn与HPC的低温氮吸附和孔径分布分析67
• 4.3.5 HPC/Sn与HPC的电化学性能分析67-68
• 4.3.6 HPC/Sn与HPC的电化学性能分析68-71
• 4.4 本章小结71-72
• 结论72-74
• 参考文献74-82
• 致谢82-84
• 攻读学位期间发表论文及参与基金项目84-86

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 唐伟家;导电纳米复合材料[J];合成材料老化与应用;2001年02期

2 李兴田;聚酰胺6纳米复合材料的新进展[J];化学工业与工程技术;2001年02期

3 李淑玉;导电纳米复合材料[J];建材工业信息;2001年10期

4 ;可溶性纳米复合材料[J];技术与市场;2001年04期

5 钱红梅,郝成伟;粘土/有机纳米复合材料的研究进展[J];皖西学院学报;2002年02期

6 王珂,朱湛,郭炳南;聚对苯二甲酸乙二醇酯/蛭石纳米复合材料的制备[J];应用化学;2003年07期

7 钟厉,韩西;纳米复合材料的研究应用[J];重庆交通学院学报;2003年03期

8 金延;纳米复合材料及应用[J];金属功能材料;2004年06期

9 ;美国纳米复合材料需求将增长[J];橡塑技术与装备;2008年03期

10 赵中坚;王强华;;汽车中的纳米复合材料:研究活动及商业现状[J];玻璃钢;2008年01期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 肖红梅;杨洋;李元庆;郑斌;付绍云;;功能纳米复合材料研究进展[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集（上册）[C];2008年

2 葛岭梅;周安宁;李天良;曲建林;;矿物纳米复合材料的研究进展[A];新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展（上册）[C];2001年

3 马永梅;;塑料/膨润土纳米复合材料市场应用[A];2003年中国纳微粉体制备与技术应用研讨会论文集[C];2003年

4 陈洁;徐晓楠;杨玲;;纳米复合材料的阻燃研究[A];中国化学会第二十五届学术年会论文摘要集（下册）[C];2006年

5 赵海波;徐波;王俊胜;王玉忠;;主链含磷阻燃共聚酯/硫酸钡纳米复合材料的研究[A];2009年中国阻燃学术年会论文集[C];2009年

6 张忠;;多级次多尺度纳米复合材料力学性能研究[A];2010年第四届微纳米海峡两岸科技暨纳微米系统与加工制备中的力学问题研讨会摘要集[C];2010年

7 卢小泉;;基于纳米复合材料的电化学生物传感器[A];第六届海峡两岸分析化学会议摘要论文集[C];2010年

8 周安宁;杨伏生;曲建林;李天良;葛岭梅;;矿物纳米复合材料研究进展[A];纳米材料和技术应用进展——全国第二届纳米材料和技术应用会议论文集（下卷）[C];2001年

9 上官文峰;;纳米复合材料的构筑及其光催化性能[A];纳微粉体制备与应用进展——2002年纳微粉体制备与技术应用研讨会论文集[C];2002年

10 林鸿福;;加速聚合物/粘土纳米复合材料的产业化进程[A];浙江省科协学术研究报告——浙江优势非金属矿产资源的开发利用研究论文集[C];2004年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 宋玉春;纳米复合材料能否风行？[N];中国石化报;2005年

2 李闻芝;纳米复合材料产业化研讨会将开[N];中国化工报;2004年

3 李伟;汽车用上纳米复合材料部件[N];中国化工报;2004年

4 渤海投资 周延;武汉塑料 突破60日均线压制[N];证券时报;2004年

5 唐伟家 吴汾 李茂彦;尼龙纳米复合材料的开发和市场[N];中国包装报;2008年

6 华凌;纳米复合材料提升自充电池性能[N];中国化工报;2014年

7 塑化;聚合物系纳米复合材料发展前景广阔[N];国际商报;2003年

8 唐伟家 吴汾 李茂彦;尼龙纳米复合材料的开发和包装应用[N];中国包装报;2008年

9 本报记者 王海霞;纳米复合材料将广泛应用到新能源领域[N];中国能源报;2009年

10 刘霞;高效存储氢的纳米复合材料研制成功[N];科技日报;2011年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 李念武;锂硫二次电池用碳基含硫正极材料的研究[D];南京航空航天大学;2013年

2 夏雷;尼龙6及其纳米复合材料的热氧稳定性研究[D];浙江大学;2013年

3 杜青青;高效荧光碳点合成及其功能复合材料研究[D];山东大学;2015年

4 刘江涛;四种纳米复合材料的制备及其电化学和电化学传感研究[D];西北大学;2015年

5 李苏原;SnO_2/C纳米复合材料的制备及其储锂性能研究[D];兰州大学;2015年

6 郭改萍;环境友好大豆蛋白质材料改性研究[D];北京化工大学;2015年

7 孙逊;新型介孔无机物/聚苯胺纳米复合材料的制备及其性能研究[D];兰州大学;2012年

8 卜小海;螺旋聚炔基纳米复合材料的制备及其红外辐射性能研究[D];东南大学;2015年

9 王洪宾;LiFePO_4/C纳米复合材料的设计、合成及其储锂性能研究[D];吉林大学;2015年

10 杨慧;基于溶剂浇铸法和沉积法改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）[D];上海大学;2015年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 易华玉;纳米复合材料和酶放大构建凝血酶电化学适体传感器的研究[D];西南大学;2015年

2 于丹;BaTiO_3基介电陶瓷和纳米复合材料的制备及性能研究[D];浙江大学;2015年

3 王超;PVC纳米复合材料的制备及其性能研究[D];河北大学;2015年

4 谭丽莎;功能化磁性纳米复合材料的制备及其对Pb（Ⅱ）和Cr（Ⅵ）的选择性去除研究[D];浙江大学;2015年

5 杜青;锆基纳米复合材料深度净化水体中的微量重金属[D];燕山大学;2015年

6 王正奇;硫化锌纳米复合材料的制备、表征及性质研究[D];陕西科技大学;2015年

7 明洪涛;TiO_2/Au核壳纳米复合材料的制备及其光学性质研究[D];东北师范大学;2015年

8 赵元旭;多壁碳纳米管/聚碳酸酯复合材料的制备与性能研究[D];郑州大学;2015年

9 孙艺铭;金/碳纳米复合材料生物传感器检测多药耐药基因MDR1及其表达蛋白ABCB1的实验研究[D];福建医科大学;2015年

10 陈亚;基于碳纳米复合材料及β-环糊精对手性小分子识别研究[D];西南大学;2015年

  本文关键词：多孔碳纳米复合材料的制备电化学及其电化学性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：335291