本文關(guān)鍵詞：炭材料孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控及其電化學性能的研究

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【摘要】：本論文中,在利用模板炭化法,通過調(diào)控碳前驅(qū)體與模板間質(zhì)量比、炭化溫度等手段,實現(xiàn)對納米多孔炭材料孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控,并制備了一系列的具有高比表面積和孔容的納米多孔炭材料,考察其表面官能團的存在形式和結(jié)晶化的程度。此外還在二電極、三電極的電化學測量體系中測定超電容性能,在此基礎(chǔ)上,通過添加氧化還原活性劑進一步提高電化學性能。論文的主要研究內(nèi)容如下：1.使用一種簡單有效的模板炭化法來制備具有球形結(jié)構(gòu)的氮摻雜納米多孔炭材料,其中對稱二苯胍(C_(13)H_(13)N_3)作為碳源、碳酸鈣(CaCO_3)作為硬模板、偶氮二甲酰胺(C_2H_4N_4O_2)作為氮化劑。實驗所得到的納米多孔炭材料均呈現(xiàn)低石墨化程度的非晶結(jié)構(gòu),且樣品具有獨特的納米微球形的結(jié)構(gòu),樣品中氮的存在形式有吡啶氮、嘰咯氮和石墨氮。實驗結(jié)果說明了碳源與模板以及氮化劑之間的配比可以有效的控制比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)和氮含量。Carbon-DC樣品的比表面積達到了652.3 m~2 g~(-1)、含氮量是6.9at.%,而經(jīng)過氮化處理后得到的Carbon-DCA樣品的比表面積卻提高到1022.6 m~2g~(-1)、含氮率也高達12.45at.%。首先在以KOH為電解液的三電極體系中進行電化學性能進行測試,在1 A g~(-1)的電流密度下,Carbon-DC樣品顯示了176.2 F g~(-1)的質(zhì)量比電容,而Carbon-DCA樣品的質(zhì)量比電容則提高到了220.0 F g~(-1)。在炭化過程中,進一步通過加入氮化劑偶氮二甲酰胺進行氮摻雜處理后的納米多孔炭材料,其孔隙率和含氮量都得到了很大的提升,隨后在以H2SO4為電解液的三電極體系中測試了Carbon-DCA的電化學性能。在1 A g~(-1)的電流密度下Carbon-DCA樣品的質(zhì)量比電容由220.0 F g~(-1)提高到263.0 F g~(-1),并且展示了良好的倍率性能和電化學循環(huán)穩(wěn)定性。2.利用檸檬酸鎂(C_(12)H_(10)Mg_3O_4·14H_2O)作為碳源、鎂粉作為模板,采用一種簡單的多模板炭化法制備納米多孔炭材料。實驗結(jié)果表明,檸檬酸鎂和鎂粉的質(zhì)量比以及炭化的溫度對所得納米多孔炭材料的比表面積、孔隙率和電化學性能有著重要的影響。在900℃的炭化溫度下得到的C-4：1-900樣品顯示了超高的比表面積為1972.1 m~2g~(-1)和超大的孔容為4.78 cm~3 g~(-1)。此外,隨著炭化溫度的的升高,納米多孔炭材料的晶化程度會得到顯著的提高。在1 A g~(-1)的電流密度下,C-4：1-900的質(zhì)量比電容高達236.5 F g~(-1)。而且在20 Ag~(-1)的電流密度下,該樣品的電容保留率高達66.3%。二電極體系中,通過控制測量溫度對C-4：1-900樣品的電化學性能進行測量。在25、50和80℃三個不同的測量溫度下測量,樣品的質(zhì)量比電容分別為132.6、158.4和178.2 Fg~(-1)。此外,測量溫度為80℃時,樣品顯示了最高的能量密度。當功率密度為10 W kg-1,能量密度達到了15.0 Wh kg~(-1)。3.采用一種協(xié)同的催化石墨化的模板炭化法制備具有高比表面積的納米多孔炭材料,其中檸檬酸鎂(C_(12)H_(10)Mg_3O_4·14H_2O)作為碳源、硝酸鎳(NiNO_3·6H_2O)作為石墨化催化劑。實驗結(jié)果表明,低溫下容易得到高的孔隙率和低的石墨化程度,而高溫下容易得到低的孔隙率和高的石墨化程度。C-800樣品的比表面積高達2587.13 m~2 g~(-1),這比大多數(shù)報導過的納米多孔炭材料都要大,相應的孔容也達到了4.64 cm~3 g~(-1),但是石墨化的程度卻很低。而C-1000樣品的比表面積是967.96 m~2 g~(-1),但卻能在高分辨率透射電鏡下觀察到最明亮清晰的選區(qū)電子衍射環(huán),表明了其最好的石墨化程度。當電流密度為1 Ag~(-1)時,C-800樣品顯示了最大的質(zhì)量比電容為305.3 Fg~(-1),但是石墨化程度最好的C-1000樣品顯示了更好的電容保留率。此后,當向電解液中添加不同濃度的對硝基苯胺(C_6H_6N_2O_2)作為電解液時,實驗測得的恒電流充放電曲線上可以看到明顯的充放電平臺,且所有的循環(huán)伏安曲線上都有一對寬廣對稱的氧化還原峰。在1 Ag~(-1)的電流密度下,C-800-2的質(zhì)量比電容是502.1 Fg~(-1),這要大于C-800-1的400.3 Fg~(-1)和C-800的305.3Fg~(-1)。經(jīng)過5000次的充放電循環(huán)后,C-800-1/2的電容保留率仍然有88.9%和86.8%,顯示了很好的循環(huán)穩(wěn)定性。表明對硝基苯胺確實是一種可用且有效的氧化還原添加劑,可以值得使用。
【關(guān)鍵詞】：超級電容器 模板炭化法 多孔炭 石墨化 電化學
【學位授予單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;O646
【目錄】：

• 致謝7-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-17
• 第一章 緒論17-24
• 1.1 超級電容器的簡介17-19
• 1.2 多孔炭材料的簡介19
• 1.3 多孔炭材料的制備方法19-22
• 1.3.1 物理活化法和化學活化法20
• 1.3.2 模板炭化法20-22
• 1.4 氮摻雜多孔炭材料22
• 1.5 氧化還原電解液添加劑22-23
• 1.6 本論文的選題背景及研究內(nèi)容23-24
• 1.6.1 選題背景23
• 1.6.2 主要研究內(nèi)容23-24
• 第二章 實驗方法及原理24-29
• 2.1 實驗主要藥品及儀器24-25
• 2.2 材料的表征方法25-26
• 2.2.1 X-射線衍射(XRD)25
• 2.2.2 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)25
• 2.2.3 高分辨率透射電鏡(HRTEM)25-26
• 2.2.4 激光拉曼(Raman)光譜儀26
• 2.2.5 X射線光電子能譜分析(XPS)26
• 2.2.6 比表面積(BET)和孔隙結(jié)構(gòu)分析26
• 2.3 電化學性能測試26-29
• 2.3.1 實驗電極的制作26
• 2.3.2 循環(huán)伏安測試26-27
• 2.3.3 恒電流充放電測試27-28
• 2.3.4 交流阻抗測試28-29
• 第三章 利用模板法制備氮摻雜納米多孔炭材料及其電化學性能研究29-45
• 3.1 引言29-30
• 3.2 實驗方案30
• 3.3 實驗步驟30
• 3.4 實驗結(jié)果與討論30-44
• 3.5 結(jié)論44-45
• 第四章 利用多模板炭化法制備納米多孔炭材料及溫度對其晶化程度的影響45-59
• 4.1 引言45-46
• 4.2 實驗方案46
• 4.3 實驗步驟46-47
• 4.4 實驗結(jié)果與討論47-58
• 4.5 結(jié)論58-59
• 第五章 模板炭化法制備高比表面積納米多孔炭材料及其電化學性能提升的研究59-75
• 5.1 引言59-60
• 5.2 實驗方案60-61
• 5.3 實驗步驟61
• 5.4 實驗結(jié)果與討論61-74
• 5.5 結(jié)論74-75
• 第六章 結(jié)論與展望75-76
• 6.1 創(chuàng)新之處75
• 6.2 結(jié)論75
• 6.3 展望75-76
• 參考文獻76-85
• 攻讀碩士學位期間的學術(shù)活動及成果情況85

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