本文關(guān)鍵詞：基于類沸石金屬有機(jī)骨架材料的超電容電極材料研究

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【摘要】：電化學(xué)電容器作為一種新型能源存儲(chǔ)設(shè)備,其具備較高的功率密度與能量密度,較好的環(huán)境友好性以及長(zhǎng)期的循環(huán)穩(wěn)定性,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。然而電化學(xué)電容器的電容性能受到諸多因素影響,諸如電解質(zhì)、隔膜材料以及電極材料等等,其中電極材料作為超級(jí)電容器的核心組成部分,對(duì)電容性能的好壞影響較為關(guān)鍵。由此,發(fā)展新型的、擁有高比電容值、優(yōu)越功率特性以及長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)壽命的電極材料是當(dāng)前提高超級(jí)電容器性能的有效途徑。本論文以制備擁有高比電容值、優(yōu)越功率特性以及長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)壽命的超級(jí)電容器電極材料為目標(biāo),通過不同的制備方法得到了多種多孔碳電極材料,并采用多種表征技術(shù)以及電化學(xué)分析途徑探究了它們的形貌、結(jié)構(gòu)及其電化學(xué)電容性能。具體的研究?jī)?nèi)容如下：(1)選擇類沸石金屬有機(jī)骨架材料(ZIF~(-1)1)為前驅(qū)體,通過直接高溫碳化制備氮摻雜的多孔碳多面體材料(N-PCMPs),并通過熔融的KOH對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步地活化�；罨蟮牡獡诫s多孔碳多面體(N-PCMPs-A)采用掃描電子顯微鏡(SEM)、元素分析儀、比表面積及孔隙度分析儀以及X射線衍射儀(XRD)對(duì)其形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征分析。利用循環(huán)伏安法以及恒電流充放電法在10 M H2SO4電解液中對(duì)該類材料進(jìn)行電容性能研究。結(jié)果顯示：與N-PCMPs相比,N-PCMPs-A擁有更高的比表面積(2188 m2 g~(-1)),同時(shí)具有更優(yōu)越的比電容值(1 A g~(-1)的電流密度下高達(dá)307Fg~(-1))。此外,N-PCMPs-A在10Ag~(-1)的電流密度下循環(huán)充放電測(cè)試4000圈,保持率仍有90%。所有的這些均顯示出N-PCMPs-A材料在超級(jí)電容器應(yīng)用中具有很好的前景。(2)通過一個(gè)簡(jiǎn)單的制備過程,選擇苯硼酸作為硼源,ZIF~(-1)1作為碳前驅(qū)體,成功制備了高濃度的硼與氮共摻雜的多孔碳多面體材料(BN-PCPs)。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、比表面積及孔隙度分析儀、X射線衍射儀(XRD)、拉曼光譜儀以及X射線光電子能譜對(duì)制備得到的BN-PCPs材料進(jìn)行形貌和結(jié)構(gòu)分析。利用循環(huán)伏安法以及恒電流充放電法在1.0M H2SO4電解液中對(duì)該類材料進(jìn)行電容性能研究。結(jié)果顯示：該材料中硼與氮含量分別高達(dá)10.68 atom%以及8.10 atom%且分布相對(duì)均勻,同時(shí)該材料呈現(xiàn)出優(yōu)越的電容性能,在1.0 M H2SO4電解液中20 mV s~(-1)的掃描速度下,其比電容值高達(dá)262 F g~(-1)。此外,其循環(huán)穩(wěn)定性在20 A g~(-1)電流密度下測(cè)試發(fā)現(xiàn)其充放電循環(huán)壽命在40000圈后仍沒有任何衰減。(3)選擇ZnO納米棒作為模板,在2-甲基咪唑溶液中利用制備ZIF-8材料的成核原理在ZnO納米棒上生長(zhǎng)一層ZIF-8,經(jīng)低溫碳化再酸刻蝕后制備出中空結(jié)構(gòu)的碳納米管(HCNTs)。再經(jīng)進(jìn)一步的高溫碳化和KOH處理后制備出三維分層多孔碳材料(3D-HPC)。制備得到的3D-HPC材料通過掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、比表面積及孔隙度分析儀以及X射線衍射儀(XRD)對(duì)其形貌和結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征分析。利用循環(huán)伏安法以及恒電流充放電法在1.0 MH2S04電解液中對(duì)該類材料進(jìn)行電容性能研究。結(jié)果顯示：該三維分層多孔碳材料擁有更高的比表面積(1889 m2 g~(-1)),同時(shí)呈現(xiàn)出優(yōu)越的電容性能,在1 MH2S04電解液中20 mV s~(-1)的掃描速度下,其比電容值有217 Fg~(-1)。此外,其循環(huán)穩(wěn)定性在20 A g~(-1)電流密度下測(cè)試發(fā)現(xiàn)其充放電循環(huán)壽命在10000圈后仍保持有94%。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O641.4;TM53
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本文編號(hào)：1253099