本文關(guān)鍵詞：利用模板炭化法合成超電容多孔炭材料的研究

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【摘要】：超級電容器是也叫做雙電層電容器,是一種在充放電過程中沒有任何化學反應(yīng),不對周邊環(huán)境造成污染的理想儲能器件。超級電容器具有超高的能量密度和功率密度、可以實現(xiàn)快速充放電、良好的循環(huán)穩(wěn)定性、無噪音、結(jié)構(gòu)簡單、免維修等各種優(yōu)于傳統(tǒng)電池和二次電池的性能。因此我們可以說超級電容器在能源危機顯著的今天,是一種非常具有發(fā)展前景的新型能源儲存設(shè)備。研究顯示,影響超級電容器電化學性能的關(guān)鍵因素在于其電極材料的性質(zhì)。因此如何制備出具有電化學性能優(yōu)異的電極材料是研究者們關(guān)注的重點問題。針對此問題,本論文采用金屬配合物為前驅(qū)體,通過模板炭化路線,制備了系列多孔炭材料。通過調(diào)控前驅(qū)體與模板間質(zhì)量比、炭化溫度、配位化合物的種類等手段,重點考察了炭材料的多孔特征,包括比表面積、孔容、孔徑分布,以及表面官能團的存在形式和數(shù)量等,通過三電極、二電極體系測定了系列超電容性能,包括CV、GCD、Nyquist、Ragone圖等。論文主要研究內(nèi)容如下：1.首先通過利用苯甲酸鈉和硝酸鹽,自制出系列苯甲酸鹽配合物,包括苯甲酸鋅、苯甲酸鎂、苯甲酸鋁；該系列配合物既作為模板又作為碳源,采用模板炭化法,制備多孔炭材料。根據(jù)實驗結(jié)果可知,炭化溫度和苯甲酸鹽的種類對多孔炭材料的孔徑結(jié)構(gòu)、比表面積以及電容性能起著至關(guān)重要的作用。高溫炭化苯甲酸鋅制備的多孔炭carbon-Zn-900樣品具有較高的比表面積,可達1466.4 m2g-1,總的孔容有2.54 cm3g-1。采用三電極體系和二電級體系對多孔炭材料的電化學性能進行測量,分別使用濃度為6.0 mol L-1的KOH溶液和1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽/乙腈([EMIm]BF4/AN)的混合液作為電解液；當電流密度為0.5Ag-1時,三電極體系中的質(zhì)量比電容可達314.1 Fg-1,能量密度達到67.2 Wh kg-1。carbon-Zn-900樣品展現(xiàn)了較好的電化學性能和循環(huán)穩(wěn)定性,在二電極體系中,本實驗還研究了carbon-Zn-900在操作溫度為25/50/80℃時的電化學性能。相對于三電極體系,二電極體系具有較寬的電壓窗口和操作溫度,并且能在極端條件下應(yīng)用。此外利用硝酸鋅和對硝基苯偶氮水楊酸鹽(俗名茜素黃)在水溶液中配位形成配合物對硝基苯偶氮水楊酸鋅鹽,采用直接炭化該配合物制備出形貌、性能可控的多孔炭材料。為了進一步提高多孔炭材料的電化學性能,我們將金屬模板鋅粉和配合物對硝基苯偶氮水楊酸鋅鹽按照不同質(zhì)量比相混合,采用高溫炭化工藝制備多孔炭材料。實驗結(jié)果表明,當配合物和鋅粉的質(zhì)量比為2：1,炭化溫度為900℃時得到的多孔炭材料zinc metal-1:2-900具有最優(yōu)異的電容性能。通過表征測試,我們得到該樣品的比表面積為1177.2 m2g-1,總孔容為0.89 cm3g-1,含氮量為3.63%。我們采用不同的體系對該樣品進行電化學性能測試,在三電級體系中,當電流密度為1 Ag-1時,其質(zhì)量比電容為266.2 Fg-1。此外,在二電極體系中,我們在操作溫度25/50/80℃下對其進行電化學測量,結(jié)果表明當功率密度為0.5 Wh kg-1時,其能量密度為33.4 Wh kg-1。更值得一提的是,該合成方法可以拓展到通過制備其他系列金屬配合物諸如對硝基苯偶氮水楊酸鎂/鈣/鋁等,通過直接炭化工藝路線制備多孔炭材料,這極大地豐富了多孔炭材料的合成與應(yīng)用。2.制備出具有高度孔隙率和優(yōu)良的電化學性能的納米多孔炭材料,至今為止對科研人員來說依舊是個巨大的挑戰(zhàn)。本項工作中,我們利用簡單而且有效的模板炭化法,即鎂試劑為碳源/氮源,Mg(OH)2為硬模板來制備多孔炭材料,且所得到的的多孔炭材料具有非晶的特點和片狀的形貌結(jié)構(gòu)。通過液相法得到的樣品carbon-1-3-L相比于由固相研磨制備的carbon-1-3-S擁有更高的孔隙率和含氮量。通過表征我們得到carbon-1-3-L樣品的比表面積高達1427.7 m2g-1,總孔容為5.91cm3g-1,同樣carbon-1-3-S樣品的比表面積和總孔容分別為1036.6 m2g-1和4.76cm3g-1。最重要的是carbon-1-3-L樣品的總孔容高于大多數(shù)先前報道過的多孔碳的總孔容。因此通過三電級體系的電化學測試我們得到在電流密度為1 Ag-1時carbon-1-3-L樣品的質(zhì)量比電容為378.5 F g-1這遠高于carbon-1-3-S樣品的質(zhì)量比電容263.4Fg-1。利用Mg(OH)2為硬模板來制備多孔炭材料的方法簡單并且有效易操作,這預示了該方法在制備多孔炭材料潛在的商業(yè)應(yīng)用價值。此外利用對稱二苯硫脲為碳源／氮源,Mg(OH)2和Ca(OH)2分別為模板,通過模板炭化法合成分級的多孔炭材料。對稱二苯硫脲與Mg(OH)2/Ca(OH)2的質(zhì)量比和炭化溫度對制備出的炭材料的孔徑結(jié)構(gòu)和電容性能大小起著至關(guān)重要的作用。通過實驗結(jié)果表明當對稱二苯硫脲和Mg(OH)2/Ca(OH)2的質(zhì)量比均為1：2,炭化溫度為700℃時制備出的樣品被稱作carbon-Mg/carbon-Ca,且都具有非晶和低石墨化的本質(zhì)特點。carbon-Mg樣品的比表面積和總孔容分別為1018.48 m2g-1和5.29 cm3g-1,相比于carbon-Ca樣品的比表面積429.11 m2g-1和總孔容2.52 cm3g-1。在三電級體系中,當電流密度為1.0Ag-1時,carbon-Mg/carbon-Ca的質(zhì)量比電容分別為327.4 Fg-1和260.0 Fg-1。同樣的當功率密度為0.5 Wh kg-1時,對應(yīng)的能量密度分別為45.47 Wh kg-1和36.11 Wh kg-1。更值得一提的是,經(jīng)過10000次充放電循環(huán),carbon-Mg樣品的比電容保持率為95.45%,這遠高于carbon-Ca樣品的電容保持率91.62%。3.本項工作中我們利用多元模板法制備納米多孔炭材料且無需任何物理或者化學的活化方法,操作方法簡單易行。在本實驗中,檸檬酸鎂、鋅粉以及乙酸鋅的質(zhì)量比和炭化溫度對形成多孔炭材料的孔徑結(jié)構(gòu)分布起著至關(guān)重要的作用。通過二電極體系我們對其進行電化學性能測試,其中利用1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽和乙腈的混合液作為電解質(zhì),且操作溫度分別為25/50/80 ℃。實驗結(jié)果表明當檸檬酸鎂、鋅粉以及乙酸鋅的質(zhì)量比為1：1：1和炭化溫度為800℃時,制備出的樣品carbon.7#具有最佳的電化學性能、最高的比表面積(1776.3m2g-1)、較大的總孔容(3.82 cm3g-1)以及分級分布的孔徑結(jié)構(gòu)。當操作溫度分別為25/50/80℃,電流密度在1Ag-1時,對應(yīng)的質(zhì)量比電容分別為152.2、243.5和279.4 Fg-1,同樣的當功率密度為1.5 W hkg-1時,不同操作溫度對應(yīng)的能量密度分別為47.5、75.9和87.2 W hkg-1。二電極體系不同的操作溫度擴展了多孔炭材料在超級電容器極端條件下的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：超級電容器 配合物 多孔炭 模板炭化法
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ127.11;TM53
【目錄】：

• 致謝7-8
• 摘要8-11
• ABSTRACT11-21
• 第一章 緒論21-31
• 1.1 超級電容器的簡介21-24
• 1.1.1 超級電容器的發(fā)展21-22
• 1.1.2 超級電容器的特點22-23
• 1.1.3 超級電容器的原理及分類23-24
• 1.1.4 超級電容器的應(yīng)用24
• 1.2 炭電極材料簡介24-25
• 1.2.1 炭電極材料的特點24-25
• 1.3 多孔炭材料的制備方法25-29
• 1.3.1 物理活化法25
• 1.3.2 化學活化法25
• 1.3.3 模板炭化法25-29
• 1.4 本論文的選題背景和主要的研究內(nèi)容29-31
• 1.4.1 選題背景29
• 1.4.2 主要研究內(nèi)容29-31
• 第二章 實驗方法及表征31-38
• 2.1 實驗主要藥品及儀器31-32
• 2.2 材料的表征方法32-34
• 2.2.1 X-射線衍射(XRD)32
• 2.2.2 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)32-33
• 2.2.3 激光拉曼光譜儀(RAMAN)33
• 2.2.4 X射線光電子能譜儀(XPS)33
• 2.2.5 比表面積(BET)和孔徑分析33
• 2.2.6 高分辨率透射電鏡(HRTEM)33-34
• 2.3 電化學性能測試34-38
• 2.3.1 電極材料的制備34
• 2.3.2 循環(huán)伏安測試34-35
• 2.3.3 恒流充放電測試35-36
• 2.3.4 交流阻抗測試36-38
• 第三章 基于配合物的模板炭化法制備多孔炭材料及其電容性能研究38-64
• 3.1 基于苯甲酸鹽配合物的模板炭化法制備多孔炭材料及其電容性能研究38-53
• 3.1.1 引言38-39
• 3.1.2 實驗方案39
• 3.1.3 實驗步驟39
• 3.1.4 實驗結(jié)果與討論39-52
• 3.1.5 結(jié)論52-53
• 3.2 基于對硝基苯偶氮水楊酸鹽配合物的模板炭化法制備多孔炭材料及其電容性能研究53-64
• 3.2.1 引言53
• 3.2.2 實驗方案53-54
• 3.2.3 實驗步驟54-55
• 3.2.4 實驗結(jié)果與討論55-63
• 3.2.5 實驗結(jié)論63-64
• 第四章 基于Mg(OH)_2/Ca(OH)_2分別作為模板,利用模板炭化法制備多孔炭材料及其電容性能研究64-93
• 4.1 利用鎂試劑為碳源/氮源,Mg(OH)_2為模板,通過模板炭化法制備多孔炭材料及其電容性能測試64-78
• 4.1.1 引言64
• 4.1.2 實驗方案64-65
• 4.1.3 實驗步驟65-66
• 4.1.4 實驗結(jié)果與討論66-77
• 4.1.5 結(jié)論77-78
• 4.2 基于對稱二苯硫脲為碳源/氮源,Mg(OH)_2/Ca(OH)_2分別為模板,通過模板炭化法制備多孔炭材料及其電容性能測試78-93
• 4.2.1 引言78
• 4.2.2 實驗方案78-79
• 4.2.3 實驗步驟79
• 4.2.4 實驗結(jié)果與討論79-92
• 4.2.5 結(jié)論92-93
• 第五章 基于鋅粉/乙酸鋅多元模板法合成多孔炭材料及其電容性能研究93-102
• 5.1 引言93
• 5.2 實驗方案93-94
• 5.3 實驗步驟94
• 5.4 實驗結(jié)果與討論94-101
• 5.5 結(jié)論101-102
• 第六章 全文總結(jié)與展望102-104
• 6.1 結(jié)論102-103
• 6.2 展望103-104
• 參考文獻104-113
• 附錄一 攻讀碩士學位期間獲得的成果113
• 發(fā)表學術(shù)論文113
• 申請發(fā)明專利113
• 獲得獎項113

【共引文獻】

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本文編號：1116951