本文選題：N摻雜活性炭 + 催化活性　； 參考：《河南師范大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：超級電容器是一類綠色、高效的電化學(xué)儲能器件,具有功率密度高,循環(huán)壽命長,充放電快速,工作溫度范圍寬以及安全、無污染等優(yōu)勢,在功率輸出和充放電速度有較高要求的輔助動力電源、啟動裝置及便攜電子產(chǎn)品中有重要應(yīng)用前景。電極是電荷儲存和輸出的主體,電極材料比表面積、孔道特征、親水性、結(jié)晶度以及界面氧化還原活性直接決定著超級電容器的儲能性能。設(shè)計(jì)合成高比容電極材料,構(gòu)建高效儲能體系,提高器件儲能性能是超級電容器領(lǐng)域目前的主要研究任務(wù)。碳材料是一類重要的雙電層電極材料,通過優(yōu)化其比表面積、導(dǎo)電性和親水性能有效提高儲能性能。此外,碳材料可以作為導(dǎo)電基體,通過異質(zhì)元素?fù)诫s和客體材料的復(fù)合衍生出一系列摻雜或復(fù)合材料,獲得良好電容和催化性能。本論文從多孔碳著手,采用不同前驅(qū)體合成了一系列活性炭,通過優(yōu)化其比表面積、電子離子傳質(zhì)通道和異質(zhì)元素?fù)诫s,提高其電容性能和催化活性,并構(gòu)建了不同電解質(zhì)體系電容器件,利用材料自身及電解質(zhì)的贗電容貢獻(xiàn)提高電極儲能容量。此外,通過石墨烯與金屬氧化物形成復(fù)合物優(yōu)化電極比容、倍率和循環(huán)性能,并與活性炭電極構(gòu)建非對稱電容體系拓寬電壓窗口,在維持較高功率密度同時,獲得了良好的能量密度和循環(huán)性能。具體內(nèi)容如下:1、以生物質(zhì)碳源(泡桐花,PF)為前驅(qū)體,經(jīng)過碳化、堿活化處理,制備了具有較高比表面積,富含微孔、介孔/大孔的多級孔道結(jié)構(gòu),適當(dāng)石墨化程度和良好表面潤濕性的活性碳材料(a-PFC3)�；赼-PFC3的對稱超級電容器具有較高比容(297 F g~(-1),1 A g~(-1))、良好的倍率性能和出眾的循環(huán)穩(wěn)定性。并能通過多個器件單元的串聯(lián)組裝對外進(jìn)行電荷輸出,顯示出良好的應(yīng)用性能。2、以聚苯胺作為前驅(qū)體經(jīng)過碳化和不同溫度堿活化,合成了具有微孔結(jié)構(gòu)、可調(diào)N摻雜量及類型的N摻雜活性碳(a-NCs),這類材料在超級電容器中展示出良好電容特性,同時對4-硝基苯酚的氫化反應(yīng)具有不同程度的催化活性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,活化溫度對a-NCs材料的比表面積、N元素含量和類型、石墨化程度以及電容性能和催化活性起著重要作用,因此可以通過操作合成條件調(diào)控材料應(yīng)用性能。較低活化溫度(600 oC)所制備a-NC600具備較高N和O含量,因而贗電容貢獻(xiàn)較多,因此能提供最佳比容(309F g~(-1),1 A g~(-1))。與之相比,在800 oC活化處理的氮摻雜活性碳材料a-NC800具有較高比表面積及較高石墨化N含量,其電容性能有所降低,但是對4-硝基苯酚的氫化反應(yīng)具有較理想的非均相催化活性。3、以三聚氰胺海綿-聚苯胺復(fù)合物為前驅(qū)體,經(jīng)過簡單的碳化處理合成了具有較高比表面積、適當(dāng)石墨化程度和較高異質(zhì)元素N含量的氮摻雜多孔碳(NC)。通過調(diào)節(jié)碳化溫度能有效優(yōu)化電容器件的儲能性能。此外,這類NC材料對電解質(zhì)中碘化物的法拉第反應(yīng)具有良好催化活性,可通過促進(jìn)含碘物質(zhì)的氧化還原反應(yīng)提高電解質(zhì)的贗電容貢獻(xiàn),在含0.06 M KI的氧化還原電解質(zhì)體系中,電極比容達(dá)到616 F g~(-1),顯示出優(yōu)越的儲能容量,同時能保持較高循環(huán)性能。本工作通過催化電極和氧化還原電解質(zhì)之間的催化反應(yīng)改善電容器件儲能性能,為高比容電容器件的設(shè)計(jì)提供了新的理念。4、以氧化石墨烯(GO)和P123表面活性劑調(diào)控Co_3O_4的組裝取向,在泡沫鎳集流體表面水熱沉積石墨烯-交聯(lián)陣列多孔Co_3O_4纖維復(fù)合物,制作出高比容及高效電子離子傳質(zhì)通道的法拉第電極,在2 M KOH電解液體系中的比容達(dá)到2056 F g~(-1)(1 A g~(-1)),同時具有優(yōu)越的倍率和循環(huán)性能;此外,利用富勒烯碳渣制作出較高雙電層電容的活性碳。所構(gòu)建活性炭∥石墨烯-Co_3O_4多孔纖維復(fù)合物非對稱電容器件電壓窗口拓寬至1.6V,能量密度達(dá)到50 Wh kg~(-1),同時具有優(yōu)越的功率密度和循環(huán)性能,可用作高性能、長壽命的電容器件。
[Abstract]:Supercapacitor is a kind of green and efficient electrochemical energy storage devices. It has the advantages of high power density, long cycle life, fast charging and discharging, wide working temperature range, safety and no pollution. It has an important application prospect in the auxiliary power supply of power output and charge discharge speed, which has high demand for power output and charge discharge speed. Electrode is the main body of charge storage and output. The specific surface area, pore characteristics, hydrophilicity, crystallinity and interfacial oxidation and reduction activity directly determine the energy storage performance of supercapacitors. The design and synthesis of high specific capacitance electrode materials, the construction of efficient energy storage system and the improvement of the energy storage performance of the device are the main research in the field of supercapacitor. Carbon material is an important kind of double layer electrode material. By optimizing its specific surface area, conductivity and hydrophilic property, carbon materials can effectively improve the energy storage performance. In addition, carbon materials can be used as conductive matrix, and a series of mixed or composite materials are derived by the combination of heterogeneous elements and the compound of the object materials to obtain good capacitance and catalytic performance. In this paper, a series of activated carbons are synthesized from different precursors from porous carbon. By optimizing the specific surface area, electron ion mass transfer channel and hetero element doping, the capacitance and catalytic activity of different electrolyte systems are improved, and the capacitor devices in different electrolyte systems are constructed. The electrode storage is improved by the contribution of the material itself and the contribution of the electrolyte. In addition, by forming a complex of graphene and metal oxide, the specific capacitance, multiplying and cyclic properties of the electrode are optimized, and the voltage window is widened with the active carbon electrode to construct asymmetric capacitance system. At the same time, high power density is maintained, and good energy density and cycle performance are obtained. The specific contents are as follows: 1, biomass carbon source (Paulownia) Flowers, PF) for precursors, by carbonization, alkali activation treatment, a high specific surface area, porous, mesoporous / macroporous multistage structure, appropriate graphitization and good surface wettability of active carbon materials (a-PFC3). A-PFC3 based symmetric super electric containers with high specific volume (297 F g~ (-1), 1 A g~ (-1)), good multiplier The performance and outstanding cyclic stability can be produced by the series assembly of multiple device units, showing a good application performance.2. The polyaniline as a precursor through carbonization and different temperature alkali activation, synthesized a N doped active carbon (a-NCs) with microporous structure, adjustable N doping amount and type. The good capacitance is shown in the stage capacitor and the catalytic activity of the hydrogenation of 4- nitrophenol at the same time. The experimental results show that the activation temperature plays an important role in the specific surface area, the content and type of N elements, the degree of graphitization, the capacitance and the catalytic activity of the a-NCs material, so the synthetic strip can be operated. Compared with the lower activation temperature (600 oC), the a-NC600 has higher N and O content, thus the contribution of the pseudopotential is more, thus the optimum specific volume (309F g~ (-1), 1 A g~ (-1)) is provided. The properties of 4- nitrophenol have been reduced, but the hydrogenated reaction of nitrophenol has an ideal heterogeneous catalytic activity.3. With melamine sponge polyaniline complex as precursor, the nitrogen doped porous carbon (NC) with high specific surface area, proper graphitization degree and higher N content of heterogeneous elements is synthesized through simple carbonization treatment. Adjusting the carbonization temperature can effectively optimize the energy storage performance of the capacitor. In addition, this kind of NC material has good catalytic activity for the Faraday reaction of iodide in electrolytes. By promoting the redox reaction of iodine containing substances to improve the contribution of the electrolyte pseudopotential, the specific capacitance of the electrode is up to 6 in the redox electrolyte system containing 0.06 M KI. 16 F g~ (-1) shows excellent energy storage capacity and high cycling performance. This work improves the energy storage performance of capacitive devices by catalytic reaction between catalytic and redox electrolytes, providing a new idea for the design of high specific capacitance devices, using oxygen fossil Mexico (GO) and P123 surfactants to regulate the Co_3O_4. The Faraday electrode of high specific volume and high efficient electron ion mass transfer channel was produced by hydrothermal deposition of graphene crosslinked Co_3O_4 fiber composite on the surface of foam nickel collector. The specific volume of the Faraday electrode in the 2 M KOH electrolyte system reached 2056 F g~ (-1) (1 A g~ (-1)). The fullerene carbon slag makes the active carbon with high double layer capacitance. The activated carbon -Co_3O_4 porous fiber composite unsymmetrical capacitor voltage window is widened to 1.6V, the energy density reaches 50 Wh kg~ (-1), and has superior power density and cycle performance, which can be used for high performance and long life capacitive devices.
【學(xué)位授予單位】：河南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O646;TM53

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