本文關(guān)鍵詞：炭材料孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控及其電化學(xué)性能的研究

  更多相關(guān)文章： 超級(jí)電容器 模板炭化法 多孔炭 石墨化 電化學(xué)

【摘要】：本論文中,在利用模板炭化法,通過調(diào)控碳前驅(qū)體與模板間質(zhì)量比、炭化溫度等手段,實(shí)現(xiàn)對(duì)納米多孔炭材料孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控,并制備了一系列的具有高比表面積和孔容的納米多孔炭材料,考察其表面官能團(tuán)的存在形式和結(jié)晶化的程度。此外還在二電極、三電極的電化學(xué)測(cè)量體系中測(cè)定超電容性能,在此基礎(chǔ)上,通過添加氧化還原活性劑進(jìn)一步提高電化學(xué)性能。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：1.使用一種簡(jiǎn)單有效的模板炭化法來(lái)制備具有球形結(jié)構(gòu)的氮摻雜納米多孔炭材料,其中對(duì)稱二苯胍(C_(13)H_(13)N_3)作為碳源、碳酸鈣(CaCO_3)作為硬模板、偶氮二甲酰胺(C_2H_4N_4O_2)作為氮化劑。實(shí)驗(yàn)所得到的納米多孔炭材料均呈現(xiàn)低石墨化程度的非晶結(jié)構(gòu),且樣品具有獨(dú)特的納米微球形的結(jié)構(gòu),樣品中氮的存在形式有吡啶氮、嘰咯氮和石墨氮。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了碳源與模板以及氮化劑之間的配比可以有效的控制比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)和氮含量。Carbon-DC樣品的比表面積達(dá)到了652.3 m~2 g~(-1)、含氮量是6.9at.%,而經(jīng)過氮化處理后得到的Carbon-DCA樣品的比表面積卻提高到1022.6 m~2g~(-1)、含氮率也高達(dá)12.45at.%。首先在以KOH為電解液的三電極體系中進(jìn)行電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試,在1 A g~(-1)的電流密度下,Carbon-DC樣品顯示了176.2 F g~(-1)的質(zhì)量比電容,而Carbon-DCA樣品的質(zhì)量比電容則提高到了220.0 F g~(-1)。在炭化過程中,進(jìn)一步通過加入氮化劑偶氮二甲酰胺進(jìn)行氮摻雜處理后的納米多孔炭材料,其孔隙率和含氮量都得到了很大的提升,隨后在以H2SO4為電解液的三電極體系中測(cè)試了Carbon-DCA的電化學(xué)性能。在1 A g~(-1)的電流密度下Carbon-DCA樣品的質(zhì)量比電容由220.0 F g~(-1)提高到263.0 F g~(-1),并且展示了良好的倍率性能和電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性。2.利用檸檬酸鎂(C_(12)H_(10)Mg_3O_4·14H_2O)作為碳源、鎂粉作為模板,采用一種簡(jiǎn)單的多模板炭化法制備納米多孔炭材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,檸檬酸鎂和鎂粉的質(zhì)量比以及炭化的溫度對(duì)所得納米多孔炭材料的比表面積、孔隙率和電化學(xué)性能有著重要的影響。在900℃的炭化溫度下得到的C-4：1-900樣品顯示了超高的比表面積為1972.1 m~2g~(-1)和超大的孔容為4.78 cm~3 g~(-1)。此外,隨著炭化溫度的的升高,納米多孔炭材料的晶化程度會(huì)得到顯著的提高。在1 A g~(-1)的電流密度下,C-4：1-900的質(zhì)量比電容高達(dá)236.5 F g~(-1)。而且在20 Ag~(-1)的電流密度下,該樣品的電容保留率高達(dá)66.3%。二電極體系中,通過控制測(cè)量溫度對(duì)C-4：1-900樣品的電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量。在25、50和80℃三個(gè)不同的測(cè)量溫度下測(cè)量,樣品的質(zhì)量比電容分別為132.6、158.4和178.2 Fg~(-1)。此外,測(cè)量溫度為80℃時(shí),樣品顯示了最高的能量密度。當(dāng)功率密度為10 W kg-1,能量密度達(dá)到了15.0 Wh kg~(-1)。3.采用一種協(xié)同的催化石墨化的模板炭化法制備具有高比表面積的納米多孔炭材料,其中檸檬酸鎂(C_(12)H_(10)Mg_3O_4·14H_2O)作為碳源、硝酸鎳(NiNO_3·6H_2O)作為石墨化催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,低溫下容易得到高的孔隙率和低的石墨化程度,而高溫下容易得到低的孔隙率和高的石墨化程度。C-800樣品的比表面積高達(dá)2587.13 m~2 g~(-1),這比大多數(shù)報(bào)導(dǎo)過的納米多孔炭材料都要大,相應(yīng)的孔容也達(dá)到了4.64 cm~3 g~(-1),但是石墨化的程度卻很低。而C-1000樣品的比表面積是967.96 m~2 g~(-1),但卻能在高分辨率透射電鏡下觀察到最明亮清晰的選區(qū)電子衍射環(huán),表明了其最好的石墨化程度。當(dāng)電流密度為1 Ag~(-1)時(shí),C-800樣品顯示了最大的質(zhì)量比電容為305.3 Fg~(-1),但是石墨化程度最好的C-1000樣品顯示了更好的電容保留率。此后,當(dāng)向電解液中添加不同濃度的對(duì)硝基苯胺(C_6H_6N_2O_2)作為電解液時(shí),實(shí)驗(yàn)測(cè)得的恒電流充放電曲線上可以看到明顯的充放電平臺(tái),且所有的循環(huán)伏安曲線上都有一對(duì)寬廣對(duì)稱的氧化還原峰。在1 Ag~(-1)的電流密度下,C-800-2的質(zhì)量比電容是502.1 Fg~(-1),這要大于C-800-1的400.3 Fg~(-1)和C-800的305.3Fg~(-1)。經(jīng)過5000次的充放電循環(huán)后,C-800-1/2的電容保留率仍然有88.9%和86.8%,顯示了很好的循環(huán)穩(wěn)定性。表明對(duì)硝基苯胺確實(shí)是一種可用且有效的氧化還原添加劑,可以值得使用。
【關(guān)鍵詞】：超級(jí)電容器 模板炭化法 多孔炭 石墨化 電化學(xué)
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ127.11;O646
【目錄】：

• 致謝7-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-17
• 第一章 緒論17-24
• 1.1 超級(jí)電容器的簡(jiǎn)介17-19
• 1.2 多孔炭材料的簡(jiǎn)介19
• 1.3 多孔炭材料的制備方法19-22
• 1.3.1 物理活化法和化學(xué)活化法20
• 1.3.2 模板炭化法20-22
• 1.4 氮摻雜多孔炭材料22
• 1.5 氧化還原電解液添加劑22-23
• 1.6 本論文的選題背景及研究?jī)?nèi)容23-24
• 1.6.1 選題背景23
• 1.6.2 主要研究?jī)?nèi)容23-24
• 第二章 實(shí)驗(yàn)方法及原理24-29
• 2.1 實(shí)驗(yàn)主要藥品及儀器24-25
• 2.2 材料的表征方法25-26
• 2.2.1 X-射線衍射(XRD)25
• 2.2.2 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)25
• 2.2.3 高分辨率透射電鏡(HRTEM)25-26
• 2.2.4 激光拉曼(Raman)光譜儀26
• 2.2.5 X射線光電子能譜分析(XPS)26
• 2.2.6 比表面積(BET)和孔隙結(jié)構(gòu)分析26
• 2.3 電化學(xué)性能測(cè)試26-29
• 2.3.1 實(shí)驗(yàn)電極的制作26
• 2.3.2 循環(huán)伏安測(cè)試26-27
• 2.3.3 恒電流充放電測(cè)試27-28
• 2.3.4 交流阻抗測(cè)試28-29
• 第三章 利用模板法制備氮摻雜納米多孔炭材料及其電化學(xué)性能研究29-45
• 3.1 引言29-30
• 3.2 實(shí)驗(yàn)方案30
• 3.3 實(shí)驗(yàn)步驟30
• 3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論30-44
• 3.5 結(jié)論44-45
• 第四章 利用多模板炭化法制備納米多孔炭材料及溫度對(duì)其晶化程度的影響45-59
• 4.1 引言45-46
• 4.2 實(shí)驗(yàn)方案46
• 4.3 實(shí)驗(yàn)步驟46-47
• 4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論47-58
• 4.5 結(jié)論58-59
• 第五章 模板炭化法制備高比表面積納米多孔炭材料及其電化學(xué)性能提升的研究59-75
• 5.1 引言59-60
• 5.2 實(shí)驗(yàn)方案60-61
• 5.3 實(shí)驗(yàn)步驟61
• 5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論61-74
• 5.5 結(jié)論74-75
• 第六章 結(jié)論與展望75-76
• 6.1 創(chuàng)新之處75
• 6.2 結(jié)論75
• 6.3 展望75-76
• 參考文獻(xiàn)76-85
• 攻讀碩士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)活動(dòng)及成果情況85

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