炭气凝胶及其复合材料的制备与电化学性能的研究

发布时间：2022-08-12 18:36

　　目前,锂离子电池和超级电容器作为一次性非再生能源的替代品,成为最具发展前景的新能源,并获得广泛的研究和多领域的应用。绿色环保和可持续发展是今后的发展趋势,要求锂离子电池和超级电容器电极不仅能提供优异的电化学性能,还要绿色环保,所以来源广泛的绿色环保炭材料成为了研究者们关注的重点。炭气凝胶以其大的孔隙率和丰富的介孔结构,特别是可以通过溶胶-凝胶过程实现纳米尺度的可控设计和掺杂,可满足不同储能器件对材料在结构和性能上的要求。因此使用环境友好的碳源制备成炭气凝胶用作储能器件电极材料并通过掺杂方法提高其电化学性能成为了研究中的一项重要工作。本研究分别以壳聚糖和苯胺为前驱体设计合成了高性能储能器件用的氮、硅掺杂的炭气凝胶复合电极材料。首先以天然的生物质壳聚糖作为氮源,以植酸和氧化石墨烯为添加剂,通过植酸的螯合作用将壳聚糖和氧化石墨烯相结合,采用水热、冷冻干燥和炭化活化等过程制备出具有独特三维层状分级多孔结构的氮磷共掺杂炭气凝胶。考察了不同植酸浓度、不同炭化温度和活化过程对氮磷共掺杂炭气凝胶结构和性能的影响,设计合成出电化学性能优异的氮磷共掺杂炭气凝胶超级电容器电极材料。其次,本研究以苯胺为前驱体... 

【文章页数】：89 页

【学位级别】：硕士

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摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 超级电容器概述
        1.2.1 超级电容器的分类
        1.2.2 超级电容器的应用
    1.3 锂离子电池概述
        1.3.1 锂离子电池的原理
        1.3.2 锂离子电池的组成
        1.3.3 硅基锂离子电池负极材料的研究现状
    1.4 炭材料用作超级电容器的电极材料
    1.5 气凝胶概述
        1.5.1 气凝胶简介
        1.5.2 气凝胶的制备
        1.5.3 气凝胶的应用
    1.6 杂原子掺杂炭材料用于电化学
        1.6.1 氮掺杂
        1.6.2 磷掺杂
        1.6.3 硅掺杂
    1.7 课题背景与研究内容
        1.7.1 课题背景
        1.7.2 研究内容
        1.7.3 创新点
第二章 实验与测试分析方法
    2.1 化学试剂
    2.2 本实验所使用的仪器
    2.3 实验方法
        2.3.1 氮磷共掺杂炭气凝胶复合材料的制备
        2.3.2 炭气凝胶包覆纳米硅复合材料的制备
        2.3.3 工作电极的制备
        2.3.4 超级电容器的组装
        2.3.5 锂离子电池的组装
    2.4 样品表征方法
        2.4.1 扫描电子显微镜(SEM)
        2.4.2 透射电子显微镜(TEM)
        2.4.3 红外光谱分析(FTIR)
        2.4.4 X射线衍射分析(XRD)
        2.4.5 拉曼光谱分析(Raman spectroscopy)
        2.4.6 氮气吸脱附测试(N_2 absorption-desorption test)
        2.4.7 X射线光电子能谱(XPS)
    2.5 电化学表征
        2.5.1 循环伏安测试
        2.5.2 恒流充放电测试
        2.5.3 交流阻抗测试
第三章 植酸辅助制备壳聚糖/氧化石墨烯气凝胶的制备及其电化学性能
    3.1 引言
    3.2 氮磷共掺杂炭气凝胶复合材料的制备机理
    3.3 氮磷共掺杂炭气凝胶复合材料的三维多孔形貌
    3.4 氮磷共掺杂炭气凝胶复合材料的三维结构
    3.5 氮磷共掺杂炭气凝胶复合材料的官能团
    3.6 活化后氮磷共掺杂炭气凝胶复合材料的超级电容器性能
    3.7 炭化后氮磷共掺杂炭气凝胶复合材料的超级电容器性能
    3.8 本章小结
第四章 炭化温度对氮磷共掺杂炭气凝胶的影响
    4.1 引言
    4.2 不同温度炭化氮磷共掺杂炭材料的三维形貌
    4.3 不同温度炭化氮磷共掺杂炭材料的三维结构
    4.4 不同温度炭化氮磷共掺杂炭材料的电化学性能
    4.5 本章小结
第五章 炭气凝胶包覆纳米硅复合材料的制备和电化学性能
    5.1 引言
    5.2 炭气凝胶包覆纳米硅复合材料的结构
    5.3 炭气凝胶包覆纳米硅复合材料的XRD测试
    5.4 聚苯胺气凝胶包覆纳米硅复合材料的热重分析
    5.5 炭气凝胶包覆纳米硅复合材料的HAADF电镜图
    5.6 炭气凝胶包覆纳米硅复合材料的红外分析
    5.7 炭气凝胶包覆纳米硅复合材料的电化学性能
    5.8 本章小结
第六章 结论
参考文献
致谢
作者及导师介绍
附件


【参考文献】：
期刊论文
[1]碳气凝胶的制备及其在电化学超级电容器上的应用[J]. 吴学玲,张志华,刘冬,关大勇,刘念平,叶玉凤,沈军.  储能科学与技术. 2016(06)
[2]纳米多孔二氧化硅气凝胶的声学性能(英文)[J]. 王际超,沈军,倪星元,王博,王晓栋,李嘉.  稀有金属材料与工程. 2010(S2)
[3]锂离子电池电解质现状与发展[J]. 黄峰,周运鸿.  电池. 2001(06)
[4]亚临界干燥制备疏水SiO2气凝胶[J]. 魏建东,邓忠生,薛小松,孙琪,杨靖,王珏.  无机材料学报. 2001(03)

博士论文
[1]基于新型纳米结构超级电容器材料的研究[D]. 孟繁慧.山东大学 2013
[2]用于超级电容器的金属氧化物及其复合电极材料的制备与性能研究[D]. 郎俊伟.兰州理工大学 2010
[3]基于氧化锰和炭材料的超级电容器研究[D]. 张治安.电子科技大学 2005



本文编号：3676393