【摘要】：超級電容器作為一種新型的能量存儲輸送裝置,因其功率密度高、循環(huán)壽命長以及快速的充放電等特性,在眾多領域展現(xiàn)了非常大的應用前景。而電極材料是決定超級電容器性能的關鍵因素。在眾多研究的電極材料中,多孔炭材料具有導電性好、比表面積大、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點成為了目前科研領域的熱點。然而,沒有雜原子摻雜的多孔炭往往由于有限的比表面積使得其質量比電容較低,同時堆積密度較小,導致體積比電容也較低,很大程度上限制了其實際應用。氮原子摻雜在多孔炭骨架中不僅能提供贗電容而且能改善材料的導電性與潤濕性,成為了超級電容器電極材料的研究熱點。本文分別以雙配體有機配位聚合物、金屬配位聚合物與金屬有機框架復合物以及雙金屬有機配位聚合物為前驅體制備了不同的高電化學性能的氮摻雜多孔炭,并對其結構和性能進行了系統(tǒng)的研究。主要的研究內容如下:(1)通過直接炭化4,4'-聯(lián)吡啶(BPD)和其中一種芳香胺(對苯二胺(PPD)、4,4'-聯(lián)苯二胺(AMP)、3,3'-聯(lián)苯四胺(DAB))分別與不同金屬離子發(fā)生配位絡合反應生成的三種不同雙配體有機配位聚合物([Co_3(BPD)_2(PPD)_(10)C1_6]_n,[Ni(BPD)(AMP)_3C1_2]_n和[Co_3(BPD)_2(DAB)_5C1_6]_n),從而制備了三種微結構、氮含量以及石墨化程度可控的氮摻雜多孔炭材料(BPC_(Co),BAC_(Ni),BDC_(Co))。所制備的BPC_(Co),BAC_(Ni)和BDC_(Co)的密度分別為1.23,0.97和1.54 gcm~(-3);氮含量分別高達11.39,8.26和9.94 at.%。用作超級電容器的電極材料時表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能:三電極體系中,在電流密度為0.5Ag~(-1)條件下,BPC_(Co),BAC_(Ni)和BDC_(Co)。的質量比電容分別為402.0,315.5,302.4 F g~(-1),相對應的體積比電容為494.5,306.0和465.7Fcm~(-3);經(jīng)過2000次在大電流密度下(10Ag~(-1))循環(huán)后,BPC_(Co),BAC_(Ni)和BDC_(Co)的比電容仍然可以分別保持初始值的100.0,100.0和107.7%,具備極其優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能。在兩電極體系中,BPC_(Co),BAC_(Ni)和BDC_(Co)的質量比電容分別為330.0,275.8和259.5 Fg~(-1),其能量密度分別能達到16.50,13.79和12.98 Wh kg~(-1)。通過MOCP前驅體的有機分子結構的合理設計,為制備具有可控結構、氮種類和含量的高性能的氮摻雜多孔炭開辟了新的途徑。(2)采用4,4'-聯(lián)吡啶(BPD)和2-甲基咪唑(MeIm)分別與金屬離子Co~(2+)發(fā)生配位絡合反應生成金屬有機框/金屬有機配位聚合物(MOF-MOCP)復合物前驅體,再經(jīng)炭化過程形成氮摻雜多孔炭。在相同實驗條件下,制備了直接炭化MOF和MOCP得到的氮摻雜多孔炭。所制備的BC_(Co),MC_(Co)和BMC_(Co)的密度分別為0.82,1.12和1.16 g cm~(-3);氮含量分別高達10.86,11.13和11.63 at.%。用作超級電容器的電極材料并且具備優(yōu)異的電化學性能:三電極體系中,在電流密度為0.5 Ag~(-1)條件下BC_(Co),MC_(Co)和BMC_(Co)的質量比電容分別為258.1,212和393.9Fg~(-1),相對應的體積比電容為211.6,237.4和456.9 Fcm~(-3);經(jīng)過5000次在大電流密度下(20 Ag~(-1))循環(huán)后,其比電容仍然可以分別保持初始值的100,100和102.4%,展現(xiàn)出了極其優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能。在兩電極體系中,BC_(Co),MC_(Co)和BMC_(Co)的質量比電容在1 M硫酸電解質中分別為276.6,197.7和342.7 Fg~(-1),其能量密度分別達到23.32,16.23,9.89 W h kg~(-1)。此外,在中性電解液1 M硫酸鈉電解質中BMCc。的質量比電容達到214 Fg~(-1),其能量密度高達29.74 Wh kg~(-1)。結果表明所制備的氮摻雜多孔炭材料具有優(yōu)異的電化學性能,作為超級電容器電極材料具有非常廣闊的應用前景。(3)利用高含氮量的對苯二胺作為有機配體,同時能夠作為氮源和碳源。通過對苯二胺(PPD)與兩種金屬離子Zn~(2+)、Co~(2+)發(fā)生配位絡合反應生成雙金屬有機配位聚合物([Co(PPD)_4Zn]_n)前驅體,再經(jīng)一步炭化過程獲得了具有不同的微觀形貌和優(yōu)異的電化學性能的氮摻雜多孔炭。獲得的氮摻雜多孔炭PC_(Co-Zn)具有高氮含量11.2 at.%,在電流密度為0.5 A g~(-1)時質量比電容高達422.6Fg~(-1),在大電流密度為20 A g~(-1)時質量比電容仍然具有192.6 Fg~(-1),說明其倍率性能良好。此外,在大電流密度20 A g~(-1)下3000次恒電流充放電,比電容依然保持初始值的104.3%,顯示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能。通過雙金屬有機配位聚合物分子結構的合理設計為制備高性能的氮摻雜多孔炭提供了一種新的方法。
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.4;TM53
【圖文】：

量的９５％以上）、循環(huán)使用壽命長（深度充放電循環(huán)使用次數(shù)可達１？５０萬逡逑次）、功率密度高（可達ｓｏｏｗｋｇ—１？ｓｏｏｏｗｋｇ—１，相當于傳統(tǒng)電池的５￣１０倍，逡逑其對比如圖１．１所示）、安全系數(shù)高，長期使用免維護、超低溫特性好等特性，逡逑是提供能量快速釋放的理想之選，且其能夠按照電容器的外形大小來進行配置，逡逑裝配成組來達到許多特定應用對能量、電壓和功率的要求，是未來能量存儲裝置逡逑的理想之選［１＿５］。逡逑＇Ｔ＾ｍ—ｎ—ｎ—ｎ—＂逡逑１０邋}矗汀楨義希椋叔澹戾邋五義希戾澹

本文編號：2782818