本文關(guān)鍵詞：富氮碳材料作為超級(jí)電容器電極材料的研究

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【摘要】：超級(jí)電容器作為一種新型儲(chǔ)能器件,兼具傳統(tǒng)電容器與二次電池的優(yōu)點(diǎn)。由于它所具有高的功率密度、快速的充放電、較長的使用壽命及對(duì)環(huán)境無污染等特點(diǎn),近年來引起了人們的廣泛關(guān)注。電極材料是影響超級(jí)電容器性能的核心因素,因此,具有優(yōu)良性能的電極材料已成為研究熱點(diǎn)。碳材料由于它的原料易得、獨(dú)特的物理化學(xué)特性及成本低等優(yōu)點(diǎn)而成為商業(yè)超級(jí)電容器應(yīng)用最為廣泛的電極材料之一。在碳材料上若引入含氮的官能團(tuán)可以誘發(fā)法拉第反應(yīng)即所謂的贗電容效應(yīng)進(jìn)而提高比電容。本論文采用的是原位摻雜氮的方法來制備富氮碳材料,采用SEM、TEM、FTIR、XRD、BET、XPS、Raman等技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行了形貌和結(jié)構(gòu)表征,采用循環(huán)伏安、恒流充放電及交流阻抗測試等探究了材料的電化學(xué)性能。其主要的研究內(nèi)容如下:(1)以苯胺和N-羥乙基苯胺為單體,過硫酸銨為氧化劑,通過化學(xué)氧化法制備了球徑均一的聚合物。然后以KOH為活化劑,制備了不同條件下的富氮碳材料。在活化溫度為700℃,材料的比表面積高達(dá)2276.3m2g-1,孔容是1.2318cm3 g-1。材料顯示出了優(yōu)異的電化學(xué)性能,在1M H2SO4電解液介質(zhì)中,三電極體系下,電流密度為1A/g時(shí),比電容高達(dá)361F/g,經(jīng)過1000次循環(huán)之后,電容基本沒有衰減。電流密度為30A/g時(shí),比電容高達(dá)228F/g,經(jīng)過10000次循環(huán)之后,電容保持率高達(dá)96.5%。這歸因于材料較高的比表面積和合適的孔徑分布、含氮量等因素,雜原子的摻雜使材料既存在雙電層電容,還產(chǎn)生了贗電容。(2)以納米Ca CO3為模板,環(huán)氧樹脂和乙二胺為碳源和固化劑,合成出了一系列不同碳化溫度和不同模板用量的富氮碳材料。在碳化溫度為700℃,環(huán)氧樹脂與納米Ca CO3質(zhì)量比為2時(shí),材料的比表面積為527m2g-1,含氮量為2.28%,性能最佳。在1M H2SO4電解液介質(zhì)中,兩電極體系下,電流密度為1A/g時(shí),比電容為162F/g,經(jīng)過1000次循環(huán)之后,電容下降了近25%。材料較差的電化學(xué)性能可能是由于它們較低的比表面積造成,致使電解液離子與電極材料接觸面積受到限制。(3)首次以可再生的生物質(zhì)莧菜莖為原料,通過水熱合成法和500℃碳化制備前驅(qū)體。采用KOH對(duì)前驅(qū)體進(jìn)行了活化,制備出了不同條件下的氮摻雜碳材料。700℃下KOH活化的材料電化學(xué)性能最佳,在1M H2SO4介質(zhì)中,兩電極體系下,放電電流密度為1A/g時(shí),比電容為328F/g。放電電流密度為30A/g時(shí),比電容還高達(dá)138F/g。該類材料的原料易得,成本低廉,在超級(jí)電容器電極材料中具有一定的發(fā)展前景。
【關(guān)鍵詞】：碳材料 氮摻雜 KOH活化 超級(jí)電容器
【學(xué)位授予單位】：河南師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TM53
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-24
• 1.1 引言12
• 1.2 超級(jí)電容器簡介12-15
• 1.2.1 超級(jí)電容器的工作原理12-14
• 1.2.2 超級(jí)電容器的特點(diǎn)14
• 1.2.3 超級(jí)電容器的分類14-15
• 1.3 超級(jí)電容器的應(yīng)用及研究進(jìn)展15-16
• 1.4 超級(jí)電容器電極材料的研究進(jìn)展16-20
• 1.4.1 碳材料16-18
• 1.4.2 金屬氧化物材料18-19
• 1.4.3 導(dǎo)電聚合物材料19-20
• 1.4.4 復(fù)合物材料20
• 1.5 KOH活化碳材料的機(jī)理20-21
• 1.6 本論文的選題依據(jù)、意義及主要研究內(nèi)容21-24
• 1.6.1 選題依據(jù)、意義21
• 1.6.2 主要的研究內(nèi)容21-24
• 第二章 實(shí)驗(yàn)方法及原理24-30
• 2.1 實(shí)驗(yàn)藥品和儀器設(shè)備24-25
• 2.2 材料的表征25-27
• 2.2.1 掃描電子顯微鏡25
• 2.2.2 透射電子顯微鏡25-26
• 2.2.3 傅里葉紅外拉曼光譜儀26
• 2.2.4 X射線衍射26
• 2.2.5 比表面積和孔徑分布測試26
• 2.2.6 拉曼光譜26
• 2.2.7 元素分析 X射線光電子能譜26-27
• 2.3 電極的制備及對(duì)稱超級(jí)電容器的組裝27
• 2.3.1 電極的制備27
• 2.3.2 超級(jí)電容器的組裝27
• 2.4 電化學(xué)測試27-28
• 2.4.1 循環(huán)伏安測試27
• 2.4.2 恒電流充放電27-28
• 2.4.3 交流阻抗測試28
• 2.4.4 循環(huán)壽命測試28
• 2.5 本章小結(jié)28-30
• 第三章 KOH活化苯胺/N-羥乙基苯胺碳球及其電化學(xué)性能研究30-44
• 3.1 引言30
• 3.2 球徑均一的苯胺/N 羥乙基苯胺聚合物的制備30-31
• 3.3 KOH活化苯胺/N 羥乙基苯胺聚合物31
• 3.4 氮摻雜碳材料的表征31-37
• 3.4.1 氮摻雜碳材料的形貌表征（SEM）31-32
• 3.4.2 氮摻雜碳材料的透射電鏡表征（TEM）32-33
• 3.4.3 氮摻雜碳材料的結(jié)構(gòu)分析（FTIR）和 (XRD)33-34
• 3.4.4 氮摻雜碳材料的BET表征34-35
• 3.4.5 氮摻雜碳材料的元素分析（XPS）35-37
• 3.4.6 氮摻雜碳材料的拉曼表征（Raman）37
• 3.5 氮摻雜碳材料的電化學(xué)性能表征37-43
• 3.5.1 循環(huán)伏安測試38-39
• 3.5.2 恒電流充放電測試39-41
• 3.5.3 循環(huán)壽命測試41-42
• 3.5.4 交流阻抗測試42-43
• 3.6 本章小結(jié)43-44
• 第四章 納米CaCO_3作為模板制備富氮碳材料及電化學(xué)性能研究44-58
• 4.1 引言44
• 4.2 采用納米CaCO_3作為模板的富氮碳材料的制備44-45
• 4.3 材料的形貌和結(jié)構(gòu)表征45-50
• 4.3.1 材料的形貌表征（SEM）45-46
• 4.3.2 材料的透射電鏡表征（TEM）46
• 4.3.3 材料的XRD分析46-47
• 4.3.4 材料的BET表征47-48
• 4.3.5 材料的元素分析（XPS）48-50
• 4.4 材料的電化學(xué)性能表征50-56
• 4.4.1 循環(huán)伏安測試50-53
• 4.4.2 恒電流充放電測試53-54
• 4.4.3 循環(huán)壽命測試54-55
• 4.4.4 交流阻抗測試55-56
• 4.5 本章小結(jié)56-58
• 第五章 基于生物質(zhì)制備的富氮碳材料及其電化學(xué)性能研究58-70
• 5.1 引言58
• 5.2 生物質(zhì)氮摻雜碳材料的制備58-59
• 5.3 生物質(zhì)氮摻雜碳材料的表征59-62
• 5.3.1 莧菜莖氮摻雜碳材料的SEM和TEM表征59-60
• 5.3.2 氮摻雜碳材料的結(jié)構(gòu)分析（FTIR）和 (XRD)60-61
• 5.3.3 氮摻雜碳材料的元素分析（XPS）61-62
• 5.4 氮摻雜碳材料的電化學(xué)性能表征62-69
• 5.4.1 循環(huán)伏安測試62-64
• 5.4.2 恒電流充放電測試64-66
• 5.4.3 循環(huán)壽命測試66-68
• 5.4.4 交流阻抗測試68-69
• 5.5 本章小結(jié)69-70
• 第六章 總結(jié)與展望70-72
• 參考文獻(xiàn)72-82
• 致謝82-84
• 攻讀學(xué)位期間的科研成果84-85

【共引文獻(xiàn)】

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