本文關(guān)鍵詞：聚苯胺基炭材料的制備及其電化學(xué)性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：伴隨著化石燃料的消耗,能源儲(chǔ)量的日益枯竭,環(huán)境污染成為越來(lái)越嚴(yán)重的問題。我們必須尋找清潔、綠色、可再生能源,以確保經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。近些年來(lái),區(qū)別于傳統(tǒng)能源材料的儲(chǔ)能材料已經(jīng)開始應(yīng)用新型的儲(chǔ)能設(shè)備(如鋰離子二次電池、超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池)。鋰離子二次電池和超級(jí)電容器作為新型的儲(chǔ)能設(shè)備,廣泛應(yīng)用到便攜式電器如手機(jī)和筆記本電腦,發(fā)電站和電動(dòng)汽車。儲(chǔ)能設(shè)備的性能取決于電極材料。在不同電極材料中,炭材料因其儲(chǔ)量豐富,高的比表面積、導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注。超級(jí)電容器用的炭電極材料的儲(chǔ)能機(jī)理是雙電層儲(chǔ)能機(jī)理,但是雙電層儲(chǔ)能機(jī)理所獲得的容量不足以滿足現(xiàn)代社會(huì)的需要。到目前為止,為了解決這一問題,研究者嘗試了許多方法。在炭材料中引入贗電容被認(rèn)為是一種有效的方法,所獲得的材料同時(shí)具備贗電容和雙電層電容的優(yōu)點(diǎn)。聚苯胺制備簡(jiǎn)單,對(duì)環(huán)境友好,并且具有高的氮炭比值(0.167),因此被認(rèn)為是最具有潛力的制備摻雜炭材料的前驅(qū)體。聚苯胺作為一種贗電容電極材料,在充放電過程中會(huì)發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng),這個(gè)過程中會(huì)導(dǎo)致材料體積的嚴(yán)重變化,影響其倍率性能和循環(huán)壽命,聚苯胺的導(dǎo)電性也會(huì)影響其儲(chǔ)能性質(zhì)。將聚苯胺與炭基材料進(jìn)行復(fù)合,可以改善材料的導(dǎo)電性并且提高電容性能。本文研究圍繞聚苯胺進(jìn)行,分別制備了以聚苯胺為前驅(qū)體的摻雜炭材料和聚苯胺/炭復(fù)合材料。通過一系列的測(cè)試手段,探究了摻雜炭材料形貌、表面官能團(tuán)、孔結(jié)構(gòu)等對(duì)其電化學(xué)性能的影響,為高性能電極材料的制備提供可行的思路。采用氧化法,制備聚苯胺納米管,對(duì)所得的聚苯胺納米管進(jìn)行炭化活化處理。所得的活性碳管具有很高的比表面積(2979 m2g-1)和氧含量(15.72 at%),表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能,0.1Ag-1的電流密度下獲得468Fg-1的容量,甚至在10Ag-1的電流密度下依然可以獲得327 Fg-1的容量,同時(shí)具有良好的倍率性能和循環(huán)壽命。為了研究材料中含氧官能團(tuán)對(duì)電容性能的影響,對(duì)所得樣品進(jìn)行還原處理,將還原前后樣品進(jìn)行對(duì)比。推斷吡咯氮(N-5)、吡啶型氮(N-6)和醌型C=O可以提供贗電容而對(duì)超級(jí)電容器容量有貢獻(xiàn)。采用水熱法,通過一步反應(yīng)制得具有空心結(jié)構(gòu)的聚苯胺納米球。將所得聚苯胺納米球在不同溫度下進(jìn)行炭化處理,700℃炭化得到的空心炭球比表面積為251 m2 g-,氮元素的含量為7.3 at%,氧含量為9.3at%,表現(xiàn)出優(yōu)異電容性能,在0.2 A g-1的電流密度下容量為241Fg-1,在大電流10 Ag-1電流密度下的容量仍有120 Fg-1。優(yōu)秀的電化學(xué)性能可以歸因于雜原子摻雜和空心結(jié)構(gòu)。含氧和含氮的官能團(tuán)不僅可以提高電極材料浸潤(rùn)性,也通過引入贗電容提高了電容性能。獨(dú)特的空心結(jié)構(gòu)提供了高的比表面積,縮短電荷傳輸擴(kuò)散路徑,利于倍率性能的提高。為了獲得更大的比表面積,將所得的空心炭球進(jìn)行活化處理可以得到多孔空心炭球,活化所得的多孔空心炭球具有高的比表面積(大于1700 m2g-1)。具有球形形貌的炭材料應(yīng)用于鋰離子二次電池時(shí),堆積密度大、可提高電極能量密度,并且球形結(jié)構(gòu)有利于鋰離子從各個(gè)方向脫嵌,減小固相擴(kuò)散電阻,中空結(jié)構(gòu)通常比實(shí)心結(jié)構(gòu)具有更好的倍率性能。將所得的多孔炭球應(yīng)用于鋰離子二次電池,在50 mAg-1的電流密度下獲得1004 mAhg-1的可逆容量,尤其是在大電流下3Ag-1,獲得325mAhg-1的可逆容量。通過原位聚合的方法,制備了一種聚苯胺/多孔空心炭球復(fù)合材料應(yīng)用于超級(jí)電容器。多孔空心炭球采用聚苯胺為前驅(qū)體通過炭化活化處理獲得。和傳統(tǒng)的活性炭相比,多孔空心炭球具有獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)。研究了聚苯胺在多孔空心炭球上的負(fù)載量對(duì)復(fù)合材料形貌和電化學(xué)性能的影響。當(dāng)苯胺單體和多孔空心炭球的質(zhì)量比為2：1時(shí),復(fù)合材料獲得最佳的電化學(xué)性能。在0.1Ag-1的電流密度下,具有559Fg-1比容量,在大電流5Ag-1的電流密度下獲得386Fg-1的比容量.采用水/N,N二甲基甲酰胺體系,原位聚合的方法制備了一種銀耳狀石墨烯/聚苯胺復(fù)合材料。研究了聚苯胺負(fù)載量對(duì)復(fù)合材料形貌和電化學(xué)性能的影響。當(dāng)苯胺單體和石墨烯質(zhì)量比10：1時(shí),可以獲得銀耳狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料,表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。在0.5Ag-1的電流密度下,可以獲得497Fg-1的比容量。在大電流5Ag-1的電流密度下可以獲得426 Fg-1。獨(dú)特三維立體結(jié)構(gòu)有利于電解液的浸潤(rùn)和離子的擴(kuò)散。
【關(guān)鍵詞】：聚苯胺 雜原子摻雜 聚苯胺基復(fù)合材料 超級(jí)電容器 鋰離子二次電池
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB332
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-25
• 第一章 緒論25-43
• 1.1 前言25
• 1.2 常見儲(chǔ)能設(shè)備介紹25-27
• 1.2.1 超級(jí)電容器25-26
• 1.2.2 鋰離子二次電池26-27
• 1.3 常見儲(chǔ)能炭材料的介紹27-30
• 1.3.1 碳納米管27
• 1.3.2 多孔炭27-29
• 1.3.3 石墨烯及其復(fù)合材料29-30
• 1.4 提高炭材料儲(chǔ)能性能的方法30-32
• 1.4.1 優(yōu)化電極材料結(jié)構(gòu)30
• 1.4.2 引入贗電容30-32
• 1.5 摻雜炭材料32-36
• 1.5.1 氮摻雜炭材料32-34
• 1.5.2 氧摻雜炭材料34-35
• 1.5.3 多原子摻雜炭材料35-36
• 1.6 聚苯胺基炭材料36-40
• 1.6.1 聚苯胺的介紹36-37
• 1.6.2 聚苯胺作為前驅(qū)體制備炭材料37-39
• 1.6.3 聚苯胺復(fù)合材料39-40
• 1.7 本課題的選題依據(jù)和主要研究?jī)?nèi)容40-43
• 1.7.1 選題的目的和意義40-41
• 1.7.2 主要研究?jī)?nèi)容41-43
• 第二章 實(shí)驗(yàn)與表征方法43-55
• 2.1 研究方案43
• 2.2 本實(shí)驗(yàn)所涉及的原料及試劑43-46
• 2.2.1 化學(xué)試劑43-44
• 2.2.2 制備電極所用原料44
• 2.2.3 組裝三電極超級(jí)電容器所用材料44-45
• 2.2.4 組裝鋰離子二次電池所用材料45
• 2.2.5 所使用的其他其它試劑45-46
• 2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備46-47
• 2.3.1 材料制備所使用的設(shè)備46
• 2.3.2 材料性能表征儀器46-47
• 2.4 實(shí)驗(yàn)方法47-50
• 2.4.1 多孔碳納米管的制備方法47
• 2.4.2 雜原子摻雜炭球的制備方法47-48
• 2.4.3 多孔空心納米炭球的制備方法48
• 2.4.4 聚苯胺/多孔空心炭球復(fù)合材料的制備48-49
• 2.4.5 聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料的制備49-50
• 2.5 測(cè)試表征方法50-51
• 2.5.1 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)50
• 2.5.2 透射電子顯微鏡(TEM)50
• 2.5.3 傅立葉變換紅外光譜分析(FT-IR)50-51
• 2.5.4 X射線衍射分析(XRD)51
• 2.5.5 比表面積和孔分布測(cè)試Brunauer-Emmett-Teller(BET)51
• 2.5.6 熱重-示差掃描熱分析(TG-DSC)51
• 2.5.7 X射線光電子能譜(XPS)51
• 2.6 電儲(chǔ)能性能測(cè)試51-55
• 2.6.1 模擬三電極超級(jí)電容器及半電池組裝51-52
• 2.6.2 恒流充放電測(cè)試52-53
• 2.6.3 循環(huán)伏安測(cè)試53-54
• 2.6.4 交流阻抗測(cè)試54-55
• 第三章 多孔聚苯胺基碳納米管的制備及電化學(xué)性能研究55-79
• 3.1 引言55-56
• 3.2 多孔聚苯胺基碳納米管的制備56
• 3.2.1 聚苯胺基碳納米管的制備56
• 3.2.2 多孔聚苯胺基碳納米管的制備56
• 3.3 多孔聚苯胺基碳納米管的形貌和結(jié)構(gòu)56-63
• 3.3.1 聚苯胺納米管的形貌56-57
• 3.3.2 活化溫度對(duì)ACNTs形貌影響57-59
• 3.3.3 活化溫度對(duì)ACNTs結(jié)構(gòu)的影響59-63
• 3.4 活化溫度對(duì)ACNTs電化學(xué)性能影響63-67
• 3.4.1 ACNTs的循環(huán)伏安測(cè)試63-64
• 3.4.2 ACNTs的恒流充放電測(cè)試64-66
• 3.4.3 ACNTs的交流阻抗測(cè)試66-67
• 3.5 還原處理探究含氧官能團(tuán)的影響67-73
• 3.5.1 還原處理對(duì)ACNTs-700形貌的影響67-68
• 3.5.2 還原處理對(duì)ACNTs-700晶型的影響68-69
• 3.5.3 還原處理對(duì)ACNTs-700孔結(jié)構(gòu)的影響69-70
• 3.5.4 還原處理對(duì)ACNTs表面官能團(tuán)的影響70-73
• 3.6 含氧官能團(tuán)對(duì)ACNTs-700電化學(xué)性能的影響73-77
• 3.6.1 循環(huán)伏安測(cè)試73-74
• 3.6.2 恒流充放電測(cè)試74-76
• 3.6.3 交流阻抗測(cè)試76-77
• 3.7 小結(jié)77-79
• 第四章 雜原子摻雜炭球的制備及電化學(xué)性能研究79-99
• 4.1 引言79
• 4.2 雜原子炭微球的制備79-80
• 4.2.1 聚苯胺微球的制備79-80
• 4.2.2 雜原子摻雜炭微球的制備80
• 4.3 雜原子摻雜炭微球的形貌和結(jié)構(gòu)80-86
• 4.3.1 反應(yīng)時(shí)間對(duì)聚苯胺微球形貌的影響80-82
• 4.3.2 炭化溫度對(duì)HCSs形貌的影響82-83
• 4.3.3 炭化溫度對(duì)HCSs官能團(tuán)的影響83-85
• 4.3.4 炭化溫度對(duì)HCSs孔結(jié)構(gòu)的影響85-86
• 4.4 炭化溫度對(duì)HCSs電化學(xué)性能的影響86-90
• 4.4.1 循環(huán)伏安測(cè)試86-88
• 4.4.2 恒流充放電測(cè)試88-90
• 4.5 雜原子摻雜空心納米炭球的制備90-91
• 4.5.1 聚苯胺空心納米球的制備90
• 4.5.2 聚苯胺基空心納米炭球的制備90-91
• 4.6 聚苯胺基空心納米炭球的形貌和結(jié)構(gòu)91-96
• 4.6.1 聚苯胺空心納米球的形貌91
• 4.6.2 炭化溫度對(duì)HHCSs形貌的影響91-93
• 4.6.3 炭化溫度對(duì)HHCSs官能團(tuán)的影響93-95
• 4.6.4 炭化溫度對(duì)HHCSs孔結(jié)構(gòu)的影響95-96
• 4.7 炭化溫度對(duì)HHCSs電化學(xué)性能的影響96-97
• 4.8 小結(jié)97-99
• 第五章 多孔空心納米炭球的制備及電化學(xué)性能研究99-115
• 5.1 引言99
• 5.2 多孔聚苯胺基空心納米炭球的制備99-100
• 5.3 多孔聚苯胺基空心納米炭球的形貌和結(jié)構(gòu)100-106
• 5.3.1 活化溫度對(duì)PHCSs形貌的影響100-101
• 5.3.2 活化溫度對(duì)PHCSs晶型的影響101-102
• 5.3.3 活化溫度對(duì)PHCSs孔結(jié)構(gòu)的影響102-104
• 5.3.4 活化溫度對(duì)PHCSs官能團(tuán)的影響104-106
• 5.4 多孔聚苯胺基中空炭納米球的電化學(xué)性能106-113
• 5.4.1 PHCSs的超級(jí)電容器應(yīng)用107-110
• 5.4.2 PHCSs的儲(chǔ)鋰應(yīng)用110-113
• 5.5 小結(jié)113-115
• 第六章 聚苯胺/多孔空心炭球復(fù)合材料的制備及電化學(xué)性能研究115-131
• 6.1 引言115
• 6.2 聚苯胺/多孔空心炭球的制備115-116
• 6.2.1 聚苯胺的制備115-116
• 6.2.2 聚苯胺/多孔空心炭球的制備116
• 6.3 聚苯胺/多孔空心炭球的形貌和結(jié)構(gòu)116-119
• 6.3.1 聚苯胺/多孔空心炭球的形貌116-117
• 6.3.2 聚苯胺/多孔空心炭球的結(jié)構(gòu)117-119
• 6.4 聚苯胺/多孔空心炭球的電化學(xué)性能研究119-123
• 6.4.1 循環(huán)伏安測(cè)試120-121
• 6.4.2 恒流充放電測(cè)試121-123
• 6.5 聚苯胺的負(fù)載量對(duì)復(fù)合材料性能的影響123-129
• 6.5.1 聚苯胺的負(fù)載量對(duì)復(fù)合材料形貌的影響123-126
• 6.5.2 聚苯胺的負(fù)載量對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的影響126-127
• 6.5.3 聚苯胺的負(fù)載量對(duì)復(fù)合材料電化學(xué)性能的影響127-129
• 6.6 小結(jié)129-131
• 第七章 球形聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料的制備及電化學(xué)性能研究131-143
• 7.1 引言131
• 7.2 球形聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料的制備131-132
• 7.2.1 石墨烯的制備131-132
• 7.2.2 聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料的制備132
• 7.3 球形聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料的形貌和結(jié)構(gòu)132-136
• 7.3.1 球形聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料的形貌132-134
• 7.3.2 球形聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料的形貌形成134-135
• 7.3.3 球形聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)135-136
• 7.4 球形聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料的電化學(xué)性能136-141
• 7.4.1 球形聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料的循環(huán)伏安測(cè)試136-138
• 7.4.2 球形聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料的恒流充放電測(cè)試138-140
• 7.4.3 球形聚苯胺/石墨烯復(fù)合材料的交流阻抗測(cè)試140-141
• 7.5 不同負(fù)載量的聚苯胺對(duì)復(fù)合材料電化學(xué)性能的影響141-142
• 7.6 小結(jié)142-143
• 第八章 結(jié)論143-145
• 參考文獻(xiàn)145-161
• 致謝161-163
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文163-165
• 作者和導(dǎo)師簡(jiǎn)介165-167
• 博士研究生學(xué)位論文答辯委員會(huì)決議書167-168

  本文關(guān)鍵詞：聚苯胺基炭材料的制備及其電化學(xué)性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：343808