聚苯胺基炭材料的制备及其电化学性能研究

发布时间：2017-05-03 22:03

  本文关键词：聚苯胺基炭材料的制备及其电化学性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：伴随着化石燃料的消耗,能源储量的日益枯竭,环境污染成为越来越严重的问题。我们必须寻找清洁、绿色、可再生能源,以确保经济和社会的可持续发展。近些年来,区别于传统能源材料的储能材料已经开始应用新型的储能设备(如锂离子二次电池、超级电容器、太阳能电池)。锂离子二次电池和超级电容器作为新型的储能设备,广泛应用到便携式电器如手机和笔记本电脑,发电站和电动汽车。储能设备的性能取决于电极材料。在不同电极材料中,炭材料因其储量丰富,高的比表面积、导电性和化学稳定性等优势受到广泛关注。超级电容器用的炭电极材料的储能机理是双电层储能机理,但是双电层储能机理所获得的容量不足以满足现代社会的需要。到目前为止,为了解决这一问题,研究者尝试了许多方法。在炭材料中引入赝电容被认为是一种有效的方法,所获得的材料同时具备赝电容和双电层电容的优点。聚苯胺制备简单,对环境友好,并且具有高的氮炭比值(0.167),因此被认为是最具有潜力的制备掺杂炭材料的前驱体。聚苯胺作为一种赝电容电极材料,在充放电过程中会发生可逆的氧化还原反应,这个过程中会导致材料体积的严重变化,影响其倍率性能和循环寿命,聚苯胺的导电性也会影响其储能性质。将聚苯胺与炭基材料进行复合,可以改善材料的导电性并且提高电容性能。本文研究围绕聚苯胺进行,分别制备了以聚苯胺为前驱体的掺杂炭材料和聚苯胺/炭复合材料。通过一系列的测试手段,探究了掺杂炭材料形貌、表面官能团、孔结构等对其电化学性能的影响,为高性能电极材料的制备提供可行的思路。采用氧化法,制备聚苯胺纳米管,对所得的聚苯胺纳米管进行炭化活化处理。所得的活性碳管具有很高的比表面积(2979 m2g-1)和氧含量(15.72 at%),表现出优异的电化学性能,0.1Ag-1的电流密度下获得468Fg-1的容量,甚至在10Ag-1的电流密度下依然可以获得327 Fg-1的容量,同时具有良好的倍率性能和循环寿命。为了研究材料中含氧官能团对电容性能的影响,对所得样品进行还原处理,将还原前后样品进行对比。推断吡咯氮(N-5)、吡啶型氮(N-6)和醌型C=O可以提供赝电容而对超级电容器容量有贡献。采用水热法,通过一步反应制得具有空心结构的聚苯胺纳米球。将所得聚苯胺纳米球在不同温度下进行炭化处理,700℃炭化得到的空心炭球比表面积为251 m2 g-,氮元素的含量为7.3 at%,氧含量为9.3at%,表现出优异电容性能,在0.2 A g-1的电流密度下容量为241Fg-1,在大电流10 Ag-1电流密度下的容量仍有120 Fg-1。优秀的电化学性能可以归因于杂原子掺杂和空心结构。含氧和含氮的官能团不仅可以提高电极材料浸润性,也通过引入赝电容提高了电容性能。独特的空心结构提供了高的比表面积,缩短电荷传输扩散路径,利于倍率性能的提高。为了获得更大的比表面积,将所得的空心炭球进行活化处理可以得到多孔空心炭球,活化所得的多孔空心炭球具有高的比表面积(大于1700 m2g-1)。具有球形形貌的炭材料应用于锂离子二次电池时,堆积密度大、可提高电极能量密度,并且球形结构有利于锂离子从各个方向脱嵌,减小固相扩散电阻,中空结构通常比实心结构具有更好的倍率性能。将所得的多孔炭球应用于锂离子二次电池,在50 mAg-1的电流密度下获得1004 mAhg-1的可逆容量,尤其是在大电流下3Ag-1,获得325mAhg-1的可逆容量。通过原位聚合的方法,制备了一种聚苯胺/多孔空心炭球复合材料应用于超级电容器。多孔空心炭球采用聚苯胺为前驱体通过炭化活化处理获得。和传统的活性炭相比,多孔空心炭球具有独特的纳米结构。研究了聚苯胺在多孔空心炭球上的负载量对复合材料形貌和电化学性能的影响。当苯胺单体和多孔空心炭球的质量比为2：1时,复合材料获得最佳的电化学性能。在0.1Ag-1的电流密度下,具有559Fg-1比容量,在大电流5Ag-1的电流密度下获得386Fg-1的比容量.采用水/N,N二甲基甲酰胺体系,原位聚合的方法制备了一种银耳状石墨烯/聚苯胺复合材料。研究了聚苯胺负载量对复合材料形貌和电化学性能的影响。当苯胺单体和石墨烯质量比10：1时,可以获得银耳状结构的复合材料,表现出优异的电化学性能。在0.5Ag-1的电流密度下,可以获得497Fg-1的比容量。在大电流5Ag-1的电流密度下可以获得426 Fg-1。独特三维立体结构有利于电解液的浸润和离子的扩散。
【关键词】：聚苯胺 杂原子掺杂 聚苯胺基复合材料 超级电容器 锂离子二次电池
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-25
• 第一章 绪论25-43
• 1.1 前言25
• 1.2 常见储能设备介绍25-27
• 1.2.1 超级电容器25-26
• 1.2.2 锂离子二次电池26-27
• 1.3 常见储能炭材料的介绍27-30
• 1.3.1 碳纳米管27
• 1.3.2 多孔炭27-29
• 1.3.3 石墨烯及其复合材料29-30
• 1.4 提高炭材料储能性能的方法30-32
• 1.4.1 优化电极材料结构30
• 1.4.2 引入赝电容30-32
• 1.5 掺杂炭材料32-36
• 1.5.1 氮掺杂炭材料32-34
• 1.5.2 氧掺杂炭材料34-35
• 1.5.3 多原子掺杂炭材料35-36
• 1.6 聚苯胺基炭材料36-40
• 1.6.1 聚苯胺的介绍36-37
• 1.6.2 聚苯胺作为前驱体制备炭材料37-39
• 1.6.3 聚苯胺复合材料39-40
• 1.7 本课题的选题依据和主要研究内容40-43
• 1.7.1 选题的目的和意义40-41
• 1.7.2 主要研究内容41-43
• 第二章 实验与表征方法43-55
• 2.1 研究方案43
• 2.2 本实验所涉及的原料及试剂43-46
• 2.2.1 化学试剂43-44
• 2.2.2 制备电极所用原料44
• 2.2.3 组装三电极超级电容器所用材料44-45
• 2.2.4 组装锂离子二次电池所用材料45
• 2.2.5 所使用的其他其它试剂45-46
• 2.3 实验设备46-47
• 2.3.1 材料制备所使用的设备46
• 2.3.2 材料性能表征仪器46-47
• 2.4 实验方法47-50
• 2.4.1 多孔碳纳米管的制备方法47
• 2.4.2 杂原子掺杂炭球的制备方法47-48
• 2.4.3 多孔空心纳米炭球的制备方法48
• 2.4.4 聚苯胺/多孔空心炭球复合材料的制备48-49
• 2.4.5 聚苯胺/石墨烯复合材料的制备49-50
• 2.5 测试表征方法50-51
• 2.5.1 场发射扫描电子显微镜(FESEM)50
• 2.5.2 透射电子显微镜(TEM)50
• 2.5.3 傅立叶变换红外光谱分析(FT-IR)50-51
• 2.5.4 X射线衍射分析(XRD)51
• 2.5.5 比表面积和孔分布测试Brunauer-Emmett-Teller(BET)51
• 2.5.6 热重-示差扫描热分析(TG-DSC)51
• 2.5.7 X射线光电子能谱(XPS)51
• 2.6 电储能性能测试51-55
• 2.6.1 模拟三电极超级电容器及半电池组装51-52
• 2.6.2 恒流充放电测试52-53
• 2.6.3 循环伏安测试53-54
• 2.6.4 交流阻抗测试54-55
• 第三章 多孔聚苯胺基碳纳米管的制备及电化学性能研究55-79
• 3.1 引言55-56
• 3.2 多孔聚苯胺基碳纳米管的制备56
• 3.2.1 聚苯胺基碳纳米管的制备56
• 3.2.2 多孔聚苯胺基碳纳米管的制备56
• 3.3 多孔聚苯胺基碳纳米管的形貌和结构56-63
• 3.3.1 聚苯胺纳米管的形貌56-57
• 3.3.2 活化温度对ACNTs形貌影响57-59
• 3.3.3 活化温度对ACNTs结构的影响59-63
• 3.4 活化温度对ACNTs电化学性能影响63-67
• 3.4.1 ACNTs的循环伏安测试63-64
• 3.4.2 ACNTs的恒流充放电测试64-66
• 3.4.3 ACNTs的交流阻抗测试66-67
• 3.5 还原处理探究含氧官能团的影响67-73
• 3.5.1 还原处理对ACNTs-700形貌的影响67-68
• 3.5.2 还原处理对ACNTs-700晶型的影响68-69
• 3.5.3 还原处理对ACNTs-700孔结构的影响69-70
• 3.5.4 还原处理对ACNTs表面官能团的影响70-73
• 3.6 含氧官能团对ACNTs-700电化学性能的影响73-77
• 3.6.1 循环伏安测试73-74
• 3.6.2 恒流充放电测试74-76
• 3.6.3 交流阻抗测试76-77
• 3.7 小结77-79
• 第四章 杂原子掺杂炭球的制备及电化学性能研究79-99
• 4.1 引言79
• 4.2 杂原子炭微球的制备79-80
• 4.2.1 聚苯胺微球的制备79-80
• 4.2.2 杂原子掺杂炭微球的制备80
• 4.3 杂原子掺杂炭微球的形貌和结构80-86
• 4.3.1 反应时间对聚苯胺微球形貌的影响80-82
• 4.3.2 炭化温度对HCSs形貌的影响82-83
• 4.3.3 炭化温度对HCSs官能团的影响83-85
• 4.3.4 炭化温度对HCSs孔结构的影响85-86
• 4.4 炭化温度对HCSs电化学性能的影响86-90
• 4.4.1 循环伏安测试86-88
• 4.4.2 恒流充放电测试88-90
• 4.5 杂原子掺杂空心纳米炭球的制备90-91
• 4.5.1 聚苯胺空心纳米球的制备90
• 4.5.2 聚苯胺基空心纳米炭球的制备90-91
• 4.6 聚苯胺基空心纳米炭球的形貌和结构91-96
• 4.6.1 聚苯胺空心纳米球的形貌91
• 4.6.2 炭化温度对HHCSs形貌的影响91-93
• 4.6.3 炭化温度对HHCSs官能团的影响93-95
• 4.6.4 炭化温度对HHCSs孔结构的影响95-96
• 4.7 炭化温度对HHCSs电化学性能的影响96-97
• 4.8 小结97-99
• 第五章 多孔空心纳米炭球的制备及电化学性能研究99-115
• 5.1 引言99
• 5.2 多孔聚苯胺基空心纳米炭球的制备99-100
• 5.3 多孔聚苯胺基空心纳米炭球的形貌和结构100-106
• 5.3.1 活化温度对PHCSs形貌的影响100-101
• 5.3.2 活化温度对PHCSs晶型的影响101-102
• 5.3.3 活化温度对PHCSs孔结构的影响102-104
• 5.3.4 活化温度对PHCSs官能团的影响104-106
• 5.4 多孔聚苯胺基中空炭纳米球的电化学性能106-113
• 5.4.1 PHCSs的超级电容器应用107-110
• 5.4.2 PHCSs的储锂应用110-113
• 5.5 小结113-115
• 第六章 聚苯胺/多孔空心炭球复合材料的制备及电化学性能研究115-131
• 6.1 引言115
• 6.2 聚苯胺/多孔空心炭球的制备115-116
• 6.2.1 聚苯胺的制备115-116
• 6.2.2 聚苯胺/多孔空心炭球的制备116
• 6.3 聚苯胺/多孔空心炭球的形貌和结构116-119
• 6.3.1 聚苯胺/多孔空心炭球的形貌116-117
• 6.3.2 聚苯胺/多孔空心炭球的结构117-119
• 6.4 聚苯胺/多孔空心炭球的电化学性能研究119-123
• 6.4.1 循环伏安测试120-121
• 6.4.2 恒流充放电测试121-123
• 6.5 聚苯胺的负载量对复合材料性能的影响123-129
• 6.5.1 聚苯胺的负载量对复合材料形貌的影响123-126
• 6.5.2 聚苯胺的负载量对复合材料结构的影响126-127
• 6.5.3 聚苯胺的负载量对复合材料电化学性能的影响127-129
• 6.6 小结129-131
• 第七章 球形聚苯胺/石墨烯复合材料的制备及电化学性能研究131-143
• 7.1 引言131
• 7.2 球形聚苯胺/石墨烯复合材料的制备131-132
• 7.2.1 石墨烯的制备131-132
• 7.2.2 聚苯胺/石墨烯复合材料的制备132
• 7.3 球形聚苯胺/石墨烯复合材料的形貌和结构132-136
• 7.3.1 球形聚苯胺/石墨烯复合材料的形貌132-134
• 7.3.2 球形聚苯胺/石墨烯复合材料的形貌形成134-135
• 7.3.3 球形聚苯胺/石墨烯复合材料的结构135-136
• 7.4 球形聚苯胺/石墨烯复合材料的电化学性能136-141
• 7.4.1 球形聚苯胺/石墨烯复合材料的循环伏安测试136-138
• 7.4.2 球形聚苯胺/石墨烯复合材料的恒流充放电测试138-140
• 7.4.3 球形聚苯胺/石墨烯复合材料的交流阻抗测试140-141
• 7.5 不同负载量的聚苯胺对复合材料电化学性能的影响141-142
• 7.6 小结142-143
• 第八章 结论143-145
• 参考文献145-161
• 致谢161-163
• 研究成果及发表的学术论文163-165
• 作者和导师简介165-167
• 博士研究生学位论文答辩委员会决议书167-168

  本文关键词：聚苯胺基炭材料的制备及其电化学性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：343808