本文選題：多孔碳材料 + 層次孔結(jié)構(gòu)　； 參考：《清華大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：多孔碳具有高比表面積,化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng),成本較低,因而是一種極具前景的電化學(xué)能源存儲材料。近年來,其復(fù)雜的孔結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)、以及較差的導(dǎo)電性限制了其廣泛使用。針對上述問題,本研究工作設(shè)計(jì)并制備了具有層次化結(jié)構(gòu)的多孔碳材料,包括層次化的孔結(jié)構(gòu)、層次化的表面元素組成以及層次化的晶體結(jié)構(gòu),來實(shí)現(xiàn)電化學(xué)能源存儲過程中的高容量和高通量,并詳細(xì)探究了層次化結(jié)構(gòu)與電化學(xué)儲能性能之間的聯(lián)系。設(shè)計(jì)了層次化的孔結(jié)構(gòu)。首先,采用低濃度水熱法,以嵌段共聚物F127作為軟模板合成了具有層次孔結(jié)構(gòu)的多孔碳納米球材料,結(jié)果表明其連通的層次孔結(jié)構(gòu)和納米尺寸有利于電極材料的快速充放電。其次,以上述多孔碳納米球?yàn)樵?采用KOH化學(xué)活化的方法進(jìn)一步增強(qiáng)其孔結(jié)構(gòu),在保持其層次化孔結(jié)構(gòu)的同時(shí),提高了其比表面積。獲得的活化多孔碳納米球材料表現(xiàn)出243 F g-1,198F cm-3的高容量,以及20 A g-1高電流密度下容量保持67%的優(yōu)秀倍率性能。在層次化孔結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了層次化的表面特性。具體來說,本研究工作采用氨氣處理的方法對層次孔結(jié)構(gòu)的多孔碳材料進(jìn)行表面改性,進(jìn)行豐富的表面氮元素?fù)诫s。首先,采用F127作為軟模板,二維氧化石墨烯作為生長基底,合成了具有層次孔結(jié)構(gòu)的碳納米球/石墨烯復(fù)合材料,再通過后續(xù)氨氣氣氛下熱處理進(jìn)行氮元素表面摻雜,將此種材料用于超級電容器和鋰離子混合電容器時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的高功率性能。在超級電容器應(yīng)用中,在80Ag-1的超高電流密度下容量保持48%;在鋰離子混合電容器應(yīng)用中,其功率密度可達(dá)336k Wkg-1。其次,以檸檬酸鎂為硬模板,通過檸檬酸鎂熱解制備出具有發(fā)達(dá)層次孔結(jié)構(gòu)的多孔碳材料,并通過后期氨氣處理進(jìn)行表面氮元素?fù)诫s,所制備的氮摻雜層次孔結(jié)構(gòu)多孔碳在鋰硫電池應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)超高的載硫量,高容量和高倍率,在超級電容器和鋰離子混合電容器中也表現(xiàn)出高容量、高倍率的優(yōu)秀性能;也通過檸檬酸鎂/檸檬酸鉀混合熱解結(jié)合后續(xù)氨氣氣氛熱處理的工藝制備出氮摻雜層次孔碳納米片材料,將其用于超級電容器和鋰硫電池時(shí)均可表現(xiàn)出優(yōu)秀的倍率性能。最后,進(jìn)行了層次化晶體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本研究工作采用鈷源作為石墨化催化劑,采用含氮有機(jī)物作為碳源前驅(qū)體實(shí)現(xiàn)氮元素?fù)诫s,采用鋅源作為硬模板制造層次化孔結(jié)構(gòu)。將同時(shí)具有層次化孔結(jié)構(gòu)、表面組成以及晶體結(jié)構(gòu)的該多孔碳材料應(yīng)用于鋰硫電池,可表現(xiàn)出高容量和優(yōu)異的倍率性能。
[Abstract]:Porous carbon has high specific surface area, strong chemical stability and low cost. Therefore, it is a promising electrochemical energy storage material. In recent years, its complex pore structure, surface properties and poor conductivity limit its extensive use. Carbon materials, including hierarchical pore structure, hierarchical surface element composition and hierarchical crystal structure, are used to achieve high capacity and high throughput in electrochemical energy storage. The relationship between hierarchical structure and electrochemical energy storage is explored in detail. A hierarchical pore structure is designed. First, low concentration hydrothermal method is used. The porous carbon nanospheres with layered pore structure are synthesized with block copolymer F127 as a soft template. The results show that the connected layered pore structure and nano size are beneficial to the rapid charge discharge of the electrode materials. Secondly, the porous carbon nanospheres are used as raw materials to further enhance the pore structure of the porous carbon nanospheres by KOH chemical activation. At the same time, the specific surface area was improved with its hierarchical structure. The activated porous carbon nanospheres showed high capacity of 243 F g-1198F cm-3, and the excellent multiplying property of 67% under the high current density of 20 A g-1. The hierarchical surface characteristics were designed on the basis of the hierarchical pore structure. The porous carbon materials with layered pore structure were modified by ammonia treatment and doped with rich surface nitrogen elements. First, F127 was used as a soft template and two dimensional graphene oxide was used as the growth substrate. The processing carries on the surface doping of nitrogen elements and exhibits excellent high power performance when used in supercapacitors and lithium ion hybrid capacitors. In supercapacitor applications, the capacity of the 80Ag-1 is 48% at ultra high current density; in the application of lithium ion hybrid capacitors, the power density is up to 336k Wkg-1. next, and citric acid is used. Magnesium is a hard template, and the porous carbon materials with advanced pore structure are prepared by the pyrolysis of magnesium citrate, and the surface nitrogen elements are doped through the later ammonia treatment. The prepared porous carbon with nitrogen doped layered pore structure can achieve super high sulfur load, high capacity and high ratio in the application of lithium sulfur batteries, in supercapacitor and lithium ion. The hybrid capacitor also shows excellent performance of high capacity and high ratio, and the nitrogen doped layered porous carbon nanoscale materials are prepared by the combined pyrolysis of magnesium citrate / potassium citrate combined with the subsequent ammonia atmosphere heat treatment, which can show excellent multiplier performance when they are used in supercapacitors and lithium sulfur batteries. Finally, it has been carried out. The design of hierarchical crystal structure. This study uses cobalt source as a graphitization catalyst. Nitrogen containing organic compounds are used as precursors of carbon source. The zinc source is used as a hard template to produce hierarchical pore structure. The porous carbon material with layered pore structure and the surface composition and crystal structure are applied to lithium sulfur. The battery can exhibit high capacity and excellent rate performance.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TB383.4

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本文編號：1950939