本文關(guān)鍵詞：多級孔先進(jìn)碳材料的制備及其雙電層電容性能研究

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【摘要】：超級電容器作為一種新型的能量儲存裝置以其高功率密度、優(yōu)異的倍率性能、良好的循環(huán)性能和工作溫度范圍寬、安全性能高等優(yōu)點(diǎn)在混合動力汽車驅(qū)動電源、不間斷電腦電源、電力系統(tǒng)、存儲備份系統(tǒng)和冷態(tài)啟動系統(tǒng)等應(yīng)用領(lǐng)域扮演了重要角色。目前應(yīng)用領(lǐng)域最廣,商業(yè)化最成熟的超級電容器電極材料仍是碳質(zhì)材料。碳材料不僅來源廣泛、價格低廉,而且具有比表面積大和孔徑可以調(diào)控等優(yōu)點(diǎn),因此備受研究者青睞。本論文力求探索出既簡單易行又經(jīng)濟(jì)環(huán)保的方法制備性能優(yōu)異的超級電容器碳材料,期許在超級電容器中得到商業(yè)化應(yīng)用。本論文主要的研究工作如下:(1)以有機(jī)單體N-羥乙基苯胺為前驅(qū)體,采用軟模板法一鍋合成聚N-羥乙基苯胺,再經(jīng)過KOH化學(xué)活化制得氮摻雜多孔碳材料。采用掃描和透射電子顯電鏡、X射線衍射、比表面積測試和X射線光電子能譜等手段對所制得的氮摻雜多孔碳材料的結(jié)構(gòu)和組分進(jìn)行了表征。結(jié)果表明,在800℃活化制得氮摻雜多孔碳材料具有類似花生殼狀的形貌和大量的中微孔結(jié)構(gòu)、高的比表面積(高達(dá)3103m~2g~(-1)),電流密度1Ag~(-1)時單電極比電容最高可達(dá)356Fg~(-1),且具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和高的功率密度和能量密度,綜合性能優(yōu)于商業(yè)化活性碳。(2)利用原位自組裝模板法合成結(jié)構(gòu)新穎的三維多孔氮摻雜碳?xì)饽z。以PVA/PEA(N-羥乙基苯胺)作為前驅(qū)體和硼酸(BA)作為交聯(lián)劑和原位模板,通過硼酸離子[B(OH)_4~(-1)]與PVA的羥基或PNPEA的羥基分子內(nèi)脫水形成PVA-borate-PNPEA水凝膠骨架,再經(jīng)過冷凍干燥、碳化和活化過程制備三維多孔碳?xì)饽z。研究結(jié)果表明,三維多孔碳?xì)饽z具有多級孔結(jié)構(gòu)、高的比表面積(2016m~2g~(-1))、雜原子摻雜以及超親水性等優(yōu)點(diǎn),且具有高的比電容、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的倍率性能。制備方法具有簡單易行、成本低廉、產(chǎn)品電化學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn),為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在超級電容器中大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。(3)以原料易得、價格低廉的生物質(zhì)決明子為碳源和氮源,一步法制備出無定型多孔碳材料。通過調(diào)控活化劑草酸鉀的比例和溫度優(yōu)化出制備條件為:決明子與草酸鉀質(zhì)量比為1:3,熱解活化溫度700℃時,制備的材料具有最佳比電容。通過系列的結(jié)構(gòu)分析手段和電化學(xué)分析技術(shù)對無定型多孔碳材料的結(jié)構(gòu)、組成和電化學(xué)性能進(jìn)行了初步的探索研究。分析結(jié)果說明,生物質(zhì)基多孔碳材料具有合理的孔徑分布、高的比表面積和氮雜原子摻雜,高的比電容、優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性和高的功率密度和能量密度。
【關(guān)鍵詞】：超級電容器 碳材料 氮摻雜 活化 雙電層電容
【學(xué)位授予單位】：河南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TM53
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-23
• 1.1 超級電容器概述11-12
• 1.2 超級電容器基本結(jié)構(gòu)及工作原理12-13
• 1.2.1 超級電容器基本結(jié)構(gòu)12
• 1.2.2 超級電容器的工作原理12-13
• 1.3 超級電容器的特點(diǎn)13
• 1.4 超級電容器的應(yīng)用前景及發(fā)展現(xiàn)狀13-14
• 1.5 超級電容器電極材料的研究進(jìn)展14-19
• 1.5.1 活性炭材料16-17
• 1.5.2 碳?xì)饽z17-18
• 1.5.3 碳納米管18
• 1.5.4 模板碳18-19
• 1.6 本論文的選題依據(jù)、意義和主要研究內(nèi)容和方法19-23
• 1.6.1 選題依據(jù)、意義19-20
• 1.6.2 研究內(nèi)容20
• 1.6.3 研究方法20-23
• 第二章 花生殼狀氮摻雜多孔碳材料的制備及其在超級電容器中的應(yīng)用研究23-37
• 2.1 前言23-24
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分24-25
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑24
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器24-25
• 2.2.3 花生殼狀氮摻雜多孔碳材料的制備25
• 2.3 花生殼狀氮摻雜多孔碳材料的結(jié)構(gòu)表征25-29
• 2.3.1 花生殼狀氮摻雜多孔碳材料的SEM和TEM表征25-26
• 2.3.2 花生殼狀氮摻雜多孔碳材料的XRD和BET表征26-28
• 2.3.3 花生殼狀氮摻雜多孔碳材料的Raman和XPS表征28-29
• 2.4 花生殼狀氮摻雜多孔碳材料電化學(xué)性能測試29-33
• 2.4.1 花生殼狀氮摻雜多孔碳材料的CV及GDC測試29-30
• 2.4.2 花生殼狀氮摻雜多孔碳材料的質(zhì)量比電容及Ragone Plot曲線30-31
• 2.4.3 花生殼狀氮摻雜多孔碳材料的循環(huán)壽命、EIS測試31-33
• 2.4.4 花生殼狀氮摻雜多孔碳材料在超級電容器中的應(yīng)用33
• 2.5 花生殼狀氮摻雜多孔碳材料的形成機(jī)理推斷33-34
• 2.6 花生殼狀氮摻雜多孔碳材料的構(gòu)效關(guān)系研究34
• 2.7 本章小結(jié)34-37
• 第三章 原位自組裝模板法制備超親水氮摻雜碳?xì)饽z超級電容器電極材料37-55
• 3.1 前言37-38
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分38-40
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑38
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器38-39
• 3.2.3 碳?xì)饽z電極材料的制備39
• 3.2.4 碳?xì)饽z的結(jié)構(gòu)表征和電化學(xué)性能測試39-40
• 3.3 碳?xì)饽z的結(jié)構(gòu)表征40-47
• 3.3.1 碳?xì)饽z的SEM和TEM表征40-42
• 3.3.2 碳?xì)饽z的XRD和BET表征42-43
• 3.3.3 碳?xì)饽z的XPS、Raman和FTIR表征43-45
• 3.3.4 碳?xì)饽z的接觸角測試45-47
• 3.4 碳?xì)饽z的電化學(xué)性能測試47-52
• 3.4.1 碳?xì)饽z的CV和GDC測試47-48
• 3.4.2 碳?xì)饽z的循環(huán)穩(wěn)定性及Ragone Plot測試48-49
• 3.4.3 碳?xì)饽z的EIS測試49-50
• 3.4.4 碳?xì)饽z樣品在超級電容器中的應(yīng)用50-52
• 3.5 碳?xì)饽z的形成機(jī)理推斷52
• 3.6 碳?xì)饽z的構(gòu)效關(guān)系研究52-53
• 3.7 本章小結(jié)53-55
• 第四章 生物質(zhì)制備氮摻雜高性能電極材料55-67
• 4.1 引言55
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分55-57
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑55-56
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器56
• 4.2.3 生物質(zhì)氮摻雜碳材料的制備56-57
• 4.3 決明子氮摻雜碳材料的結(jié)構(gòu)表征57-61
• 4.3.1 決明子氮摻雜碳材料的SEM和TEM表征57-58
• 4.3.2 決明子氮摻雜碳材料的BET及孔徑分布表征58-59
• 4.3.3 決明子氮摻雜碳材料的XRD和FTIR表征59-60
• 4.3.4 決明子氮摻雜碳材料的Raman和XPS表征60-61
• 4.4 決明子基氮摻雜碳材料的電化學(xué)性能研究61-65
• 4.4.1 決明子基氮摻雜碳材料的CV和GDC測試61-63
• 4.4.2 決明子基氮摻雜碳材料的循環(huán)壽命及Ragone Plot測試63-64
• 4.4.3 決明子基氮摻雜碳材料的EIS測試64-65
• 4.5 決明子氮摻雜碳材料的機(jī)理推斷65
• 4.6 決明子氮摻雜碳材料的構(gòu)效關(guān)系研究65
• 4.7 本章小節(jié)65-67
• 第五章 總結(jié)與展望67-69
• 參考文獻(xiàn)69-77
• 致謝77-78
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄78-79

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