ZIF-基多孔碳的制备及其超电容性能研究

发布时间：2018-01-06 18:25

  本文关键词：ZIF-基多孔碳的制备及其超电容性能研究　出处：《深圳大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：以金属有机骨架材料为前驱体制备的多孔碳材料,特别是以ZIF-8为前驱体制备的氮掺杂多孔碳在超级电容器中具有广泛的应用。目前直接碳化ZIF-8制备的多孔碳材料还存在着孔径结构单一,微孔利用率低,石墨化程度不高等缺点,这些缺点限制了碳材料比电容和倍率性能的进一步提升。本文尝试采用微波快速加热的方法碳化ZIF-8制备多孔碳材料,通过扫描电镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪、N2等温吸附-脱附测试和电化学工作站等多种测试手段对碳材料的结构和电容性能进行了充分研究。另外,由于Co具有提高碳材料的石墨化程度的作用,本文还合成了梯度Co掺杂的ZIF-8,并以其作为前驱体高温碳化后制备了系列多孔碳材料,探究了Co掺杂对制备的多孔碳材料电容性能的影响。采用微波快速加热的方法碳化ZIF-8制备了一系列氮掺杂多孔碳材料,研究了碳化温度和ZIF-8粒径对碳材料结构和电容性能的影响,结果表明:当碳化温度超过800℃时,碳材料具有较高的石墨化度并且会形成材料本体链接的介孔和大孔孔道结构,ZIF-8在1000℃下碳化制备的多孔碳Carbon-M-1000具有丰富的介孔和大孔孔道结构。而随ZIF-8粒径增加,发现碳材料本体链接的程度先增后减,大粒径的碳颗粒难以链接形成介孔和大孔结构,100nm的ZIF-8碳化制备的碳材料Carbon-M-100nm的本体链接程度最好。因此,Carbon-M-1000(即Carbon-M-100nm)在电流密度为0.1A/g时表现出了最大的比电容为207.7F/g,并且在电流密度为10A/g时其比电容值为初始比电容的66.5%,倍率性能最好。采用管式炉加热方式在1000℃条件下碳化ZIF-8制备了Carbon-T-1000碳材料,通过对比Carbon-M-1000,发现Carbon-T-1000具有更大的比表面积和孔体积,但Carbon-M-1000的石墨化度和氮含量更高,并且Carbon-M-1000能形成材料本体链接的介孔和大孔孔道结构,而Carbon-T-1000主要由微孔结构构成。这促使Carbon-M-1000具有更佳的倍率性能,其在电流密度为10A/g时的比电容保持率达到66.5%,高于Carbon-T-1000的60.3%。通过Co掺杂ZIF-8设计并合成了Co~(2+)/Zn~(2+)摩尔比梯度增加的ZIFs晶体,将其高温碳化后制备了系列氮掺杂多孔碳材料,研究了Co~(2+)/Zn~(2+)摩尔比对碳材料结构和电容性能的影响,结果表明:随Co~(2+)/Zn~(2+)摩尔比增加,碳材料的石墨化度逐渐提高,介孔结构逐渐增多,但比表面积逐渐降低,而氮元素含量先增后减。Co~(2+)/Zn~(2+)摩尔比为0.2的ZIF-8碳化制备的Carbon-Z-0.2比电容值最高,在电流密度为0.1A/g时其比电容值达到313.6F/g,并且在电流密度为10A/g时的比电容值为192.9F/g,电容保持率为61.5%。
[Abstract]:Carbon - M - 1000 ( carbon - M - 1000 ) is prepared by carbonization ZIF - 8 at 1000 鈩，

本文编号：1388970