本文選題：中空碳球 + 淀粉　； 參考：《天津工業(yè)大學》2017年碩士論文

【摘要】：超級電容器由于具有大的功率密度、長的循環(huán)穩(wěn)定性、快的充放電能力等優(yōu)點,作為儲能裝備有很大的市場潛力。而電極材料是決定超級電容器性能的重要因素之一,高度有序的介孔碳材料由于具有有序的中構造、高的比表面積、均勻和可調的孔結構、良好的導電性和優(yōu)異的化學穩(wěn)定性等特性,這些獨特的化學和物理特性是其作為超級電容器最理想的電極材料。到目前為止,已經吸引了廣大科研工作者巨大的興趣和高度的重視。為了提高碳材料的電容性能,在其表面和結構框架中進行進一步的改性修飾是十分有必要的,本論文以制備超級電容器新型碳材料為目的,探索了一種新的、工藝簡單的氮摻雜中空介孔碳球制備方法,并分別考察了該碳材料作為超級電容器的電極材料在堿性和中性電解質溶液中的電化學性能。本研究是以氨氣為氮源,以淀粉為碳前驅體,經氯化鈣溶液和碳酸鉀/碳酸氫鉀緩沖溶液預處理后,進行一步碳化和摻氮過程,得到氮摻雜中空介孔碳微球,并對合成中空碳微球的影響因素進行部分考察,主要包括碳化溫度和預處理溶液的濃度等。通過掃描電鏡、透射電鏡、XRD、XPS、BET吸附測試,對電極活性碳材料的微觀形貌、孔結構和表面官能團進行表征;通過循環(huán)伏安、恒流充放電和循環(huán)穩(wěn)定性對超級電容器的電化學性能進行衡量,綜合分析電極碳材料的微觀形貌、孔結構和表面官能團的性質,以及電化學性能測試結果,探索其結構性質對超級電容器電化學性能的影響。實驗結果表明,通過一步碳化和摻氮過程,能夠制備出分散性較好、粒徑分布相對均勻和形貌易控的氮摻雜中空碳微球,其比表面積高達750.6 m2g-1,以6MKOH溶液作為電解液,在掃速為5mVs-1比容量為240Fg-1,在300 mV s-1的高掃速下,其比容量達到163 Fg-1;容量保持率為67.9%;在1M Na2SO4中性電解質溶液中,掃速為5 mV s-1比容量高達155 Fg-1,在200 mV s-1的高掃速下,其比容量仍能達到69.6 Fg-1,其容量保持率為45%,在該中性電解質中的操作電位窗口擴展至2.0 V,擁有較大的能量密度。氫氧化鉀溶液是一種腐蝕性液體,特別是在高濃度下,其腐蝕性更強,這限制了其在商業(yè)超級電容器中的應用,研究結果表明,該材料在中性Na2S04電解質溶液中具有相對較高的比容量和能量密度,降低了生產成本,有利于生態(tài)環(huán)境保護。
[Abstract]:Supercapacitors have great market potential as energy storage equipment due to their advantages of high power density, long cycle stability and fast charge-discharge capacity. The electrode material is one of the important factors that determine the performance of supercapacitor. The highly ordered mesoporous carbon material has ordered mesoporous structure, high specific surface area, uniform and adjustable pore structure. Excellent electrical conductivity and excellent chemical stability, these unique chemical and physical properties are the most ideal electrode materials for supercapacitors. Up to now, has attracted the vast number of scientific research workers huge interest and high attention. In order to improve the capacitive properties of carbon materials, it is necessary to modify them further in the surface and structural framework. In this paper, a new type of carbon materials for supercapacitors is proposed. The preparation method of nitrogen-doped hollow mesoporous carbon spheres was simple. The electrochemical properties of the carbon materials as electrode materials for supercapacitors in alkaline and neutral electrolyte solutions were investigated respectively. In this study, nitrogen doped hollow mesoporous carbon microspheres were prepared by one step carbonation and nitrogen doping with ammonia as nitrogen source and starch as carbon precursor after pretreatment with calcium chloride solution and potassium carbonate / potassium bicarbonate buffer solution. Some factors affecting the synthesis of hollow carbon microspheres were investigated, including carbonation temperature and concentration of pretreatment solution. The micromorphology, pore structure and surface functional groups of the electrode active carbon materials were characterized by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and XRDX XPS-BET adsorption test, and were characterized by cyclic voltammetry (CV), and cyclic voltammetry (CV). The electrochemical properties of supercapacitors were measured by constant current charge-discharge and cyclic stability. The microstructure, pore structure and surface functional group properties of electrode carbon materials were comprehensively analyzed, as well as the electrochemical performance test results. The effect of its structure and properties on the electrochemical performance of supercapacitors was investigated. The experimental results show that the nitrogen-doped hollow carbon microspheres with good dispersion, relatively uniform particle size distribution and easily controlled morphology can be prepared by one-step carbonization and nitrogen-doping process. The specific surface area of the hollow carbon microspheres is up to 750.6 m ~ (-2) g ~ (-1), and 6MKOH solution is used as electrolyte. When the specific capacity of 5mVs-1 is 240Fg-1, the specific capacity reaches 163Fg-1 at the high scanning speed of 300mV s-1, and the capacity retention is 67.9%. In the neutral electrolyte solution of 1M Na2SO4, the specific capacity of 5mV s-1 is up to 155Fg-1, and at 200mV s-1, the specific capacity is up to 155Fg-1. Its specific capacity can still reach 69.6 Fg-1, and its capacity retention rate is 45. The operating potential window in the neutral electrolyte extends to 2.0 V and has a large energy density. Potassium hydroxide solution is a corrosive liquid, especially at high concentration, which limits its application in commercial supercapacitors. The material has a relatively high specific capacity and energy density in neutral Na _ 2S _ 04 electrolyte solution, which reduces the production cost and is beneficial to the protection of ecological environment.
【學位授予單位】：天津工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ127.11;TM53

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本文編號：1985308