钴氮原子共掺杂多孔碳材料在双电层电容器上的应用
发布时间：2021-11-16 01:56
双电层电容器以其高功率密度、长循环寿命和高循环效率而受到广泛关注。然而,其低能量密度限制了它们的广泛应用。针对这一问题,本论文提出了一种简单而环保的方法来合成钴和氮原子共掺杂的多孔碳材料（Co AT-NC）作为双电层电容器的电极材料,以期获得更好的电容性能。对Co AT-NC材料进行结构表征显示,与吡啶氮原子连接的钴原子均匀分散在非晶碳基体中,有利于提高碳材料的润湿性、导电性和电子态密度。将Co AT-NC作为双电层电容器的电极材料进行性能测试发现,在酸性电解液中,0.5 A·g-1的电流密度下,Co AT-NC表现出160 F·g-1的质量比电容,即使在100 A·g-1的高电流密度下,其电容保持率达到90%(144 F·g-1),而且在2 A·g-1下充放电循环6500圈后比容量仍然能保持初始容量的96.3%;此外,在有机电解质中可以获得30 Wh·kg-1的良好能量密度,高于商用超级电容器的能量密度(10-20 Wh·kg-1)...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器的组成
合肥工业大学硕士学位论文4图1.2双电层电容器的储能原理图Fig1.2SchematicdiagramofenergystorageofEDLC双电层电容器是最简单、商业化的超级电容器。其一个显著特征是电极与电解质之间不发生电荷转移，即没有法拉第过程发生。双电层电容器的比电容很大程度上取决于电极材料的有效比表面积和表面结构特性。根据物理静电过程，电双层的形成和消失发生在一个非常短的时间范围内，约为10–8s，比赝电容发生的氧化还原反应时间（范围为10–2–10–4s）短。双电层电容器的充放电过程只涉及电荷重排，没有法拉第反应；因此，双电层可以立即响应电位变化。由于双电层电容器具有几个数量级的高有效表面积和纳米级的电荷分离距离，因此比传统的电容器能存储更多的电能。碳基材料，从商用活性炭、碳气凝胶、模板化碳，到碳纳米管和石墨烯等碳纳米材料，由于其良好的电化学稳定性、高比表面积和对电解质离子的开放孔隙，是超级电容器最广泛使用和研究的活性材料。双电层的有效厚度在5–10之间，取决于电解质离子和溶剂化圈的浓度和大校对于碳基材料体系，根据电解液介质的相对介电常数和有效的双电层电容，其比电容一般在10–21μF·cm–2之间。因此，高比表面积(1000–3000m2·g–1)的碳基材料理论上可以产生300–550F·g–1的双电层电容。然而，在实验中，由于电导率有限，而且不是所有的表面活性位点可被利用，导致纯碳基双电层电容器的比电容实际上只有100–250F·g–1。所以，基于双电层电容器电极纯碳材料的商用超级电容器能量密度一般仅达3–10Whkg–1。1.3.2法拉第赝电容器法拉第赝电容器是通过电极活性物质发生高度可逆的吸附脱附或氧化还原反应来产生比双电层电容更高的法拉第赝电容来储存能量的。其储能原理图如图1.3?
第一章绪论5图1.3法拉第赝电容器的储能原理图Fig1.3Schematicdiagramofenergystorageofpseudocapacitors1.4双电层电容器性能的影响因素双电层电容器是通过电极/电解液界面双电层上电解质离子的吸脱附来储存能量的，因此电极活性材料和电解液的特性都会极大程度上影响双电层电容器的储能能力，例如电极材料的比表面积、孔径分布、电导率、润湿性、表面化学性质等以及电解液的粘度、电解质离子导电率和离子尺寸等，都是影响电容器性能的重要影响因素。1.4.1双电层电容器的电极材料双电层电容器常用的电极材料主要是多孔碳材料，例如活性炭、介孔碳材料、模板碳、碳纳米管以及其他新型碳材料，这些碳系列材料化学性质稳定，不发生电极反应，易形成双电层，导电性良好，孔结构可控，耐腐蚀，而且大部分廉价易得，也是唯一的商业超级电容器电极材料。目前一些常用碳材料在双电层电容器上的研究性能参数如表1.1中所示，比表面积可高达3500m2·g–1，导电率高达106S·cm–3，水系电解质中质量比电容可达300–400F·g–1，有机体系中可达200F·g–1。然而目前商用超级电容器的能量密度比电池的低得多，远远不能满足市场对储能器件的需求。1.4.1.1比表面积从理论上讲，为了实现高比电容，应该选择高比表面积的碳作为电极材料。例如，Zhu等人[1]采用化学活化法制备了纳米孔丰富、比表面积大于3000m2·g1的活化微波剥离石墨烯（aMEGO），应用在双电层电容器中，其能量密度高达70Wh·kg1。Wang等人[2]利用硬模板法制备了多孔碳纳米片，比表面积高达2266m2·g1，在6MKOH电解液中发现其单电极比电容有384F·g1，而没有用模板制备的多孔碳材料（比表面积1036m2·g1）组装的双电层电容器电极比电容仅258F·g1。然而实
【参考文献】：
期刊论文
[1]氢氧化钾活化制备超级电容器多孔碳电极材料[J]. 叶江林,朱彦武. 电化学. 2017(05)
[2]以生物质为前驱体合成的碳材料在电化学中的应用[J]. 高书燕,黄辉. 化学通报. 2015(09)
硕士论文
[1]超级电容器电极材料的制备及电化学性能研究[D]. 农谷珍.大连理工大学 2009
本文编号：3497957
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器的组成
合肥工业大学硕士学位论文4图1.2双电层电容器的储能原理图Fig1.2SchematicdiagramofenergystorageofEDLC双电层电容器是最简单、商业化的超级电容器。其一个显著特征是电极与电解质之间不发生电荷转移，即没有法拉第过程发生。双电层电容器的比电容很大程度上取决于电极材料的有效比表面积和表面结构特性。根据物理静电过程，电双层的形成和消失发生在一个非常短的时间范围内，约为10–8s，比赝电容发生的氧化还原反应时间（范围为10–2–10–4s）短。双电层电容器的充放电过程只涉及电荷重排，没有法拉第反应；因此，双电层可以立即响应电位变化。由于双电层电容器具有几个数量级的高有效表面积和纳米级的电荷分离距离，因此比传统的电容器能存储更多的电能。碳基材料，从商用活性炭、碳气凝胶、模板化碳，到碳纳米管和石墨烯等碳纳米材料，由于其良好的电化学稳定性、高比表面积和对电解质离子的开放孔隙，是超级电容器最广泛使用和研究的活性材料。双电层的有效厚度在5–10之间，取决于电解质离子和溶剂化圈的浓度和大校对于碳基材料体系，根据电解液介质的相对介电常数和有效的双电层电容，其比电容一般在10–21μF·cm–2之间。因此，高比表面积(1000–3000m2·g–1)的碳基材料理论上可以产生300–550F·g–1的双电层电容。然而，在实验中，由于电导率有限，而且不是所有的表面活性位点可被利用，导致纯碳基双电层电容器的比电容实际上只有100–250F·g–1。所以，基于双电层电容器电极纯碳材料的商用超级电容器能量密度一般仅达3–10Whkg–1。1.3.2法拉第赝电容器法拉第赝电容器是通过电极活性物质发生高度可逆的吸附脱附或氧化还原反应来产生比双电层电容更高的法拉第赝电容来储存能量的。其储能原理图如图1.3?
第一章绪论5图1.3法拉第赝电容器的储能原理图Fig1.3Schematicdiagramofenergystorageofpseudocapacitors1.4双电层电容器性能的影响因素双电层电容器是通过电极/电解液界面双电层上电解质离子的吸脱附来储存能量的，因此电极活性材料和电解液的特性都会极大程度上影响双电层电容器的储能能力，例如电极材料的比表面积、孔径分布、电导率、润湿性、表面化学性质等以及电解液的粘度、电解质离子导电率和离子尺寸等，都是影响电容器性能的重要影响因素。1.4.1双电层电容器的电极材料双电层电容器常用的电极材料主要是多孔碳材料，例如活性炭、介孔碳材料、模板碳、碳纳米管以及其他新型碳材料，这些碳系列材料化学性质稳定，不发生电极反应，易形成双电层，导电性良好，孔结构可控，耐腐蚀，而且大部分廉价易得，也是唯一的商业超级电容器电极材料。目前一些常用碳材料在双电层电容器上的研究性能参数如表1.1中所示，比表面积可高达3500m2·g–1，导电率高达106S·cm–3，水系电解质中质量比电容可达300–400F·g–1，有机体系中可达200F·g–1。然而目前商用超级电容器的能量密度比电池的低得多，远远不能满足市场对储能器件的需求。1.4.1.1比表面积从理论上讲，为了实现高比电容，应该选择高比表面积的碳作为电极材料。例如，Zhu等人[1]采用化学活化法制备了纳米孔丰富、比表面积大于3000m2·g1的活化微波剥离石墨烯（aMEGO），应用在双电层电容器中，其能量密度高达70Wh·kg1。Wang等人[2]利用硬模板法制备了多孔碳纳米片，比表面积高达2266m2·g1，在6MKOH电解液中发现其单电极比电容有384F·g1，而没有用模板制备的多孔碳材料（比表面积1036m2·g1）组装的双电层电容器电极比电容仅258F·g1。然而实
【参考文献】：
期刊论文
[1]氢氧化钾活化制备超级电容器多孔碳电极材料[J]. 叶江林,朱彦武. 电化学. 2017(05)
[2]以生物质为前驱体合成的碳材料在电化学中的应用[J]. 高书燕,黄辉. 化学通报. 2015(09)
硕士论文
[1]超级电容器电极材料的制备及电化学性能研究[D]. 农谷珍.大连理工大学 2009
本文编号：3497957
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