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

【摘要】：伴隨著化石燃料的消耗,能源儲量的日益枯竭,環(huán)境污染成為越來越嚴重的問題。我們必須尋找清潔、綠色、可再生能源,以確保經濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。近些年來,區(qū)別于傳統(tǒng)能源材料的儲能材料已經開始應用新型的儲能設備(如鋰離子二次電池、超級電容器、太陽能電池)。鋰離子二次電池和超級電容器作為新型的儲能設備,廣泛應用到便攜式電器如手機和筆記本電腦,發(fā)電站和電動汽車。儲能設備的性能取決于電極材料。在不同電極材料中,炭材料因其儲量豐富,高的比表面積、導電性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)勢受到廣泛關注。超級電容器用的炭電極材料的儲能機理是雙電層儲能機理,但是雙電層儲能機理所獲得的容量不足以滿足現(xiàn)代社會的需要。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為是一種有效的方法,所獲得的材料同時具備贗電容和雙電層電容的優(yōu)點。聚苯胺制備簡單,對環(huán)境友好,并且具有高的氮炭比值(0.167),因此被認為是最具有潛力的制備摻雜炭材料的前驅體。聚苯胺作為一種贗電容電極材料,在充放電過程中會發(fā)生可逆的氧化還原反應,這個過程中會導致材料體積的嚴重變化,影響其倍率性能和循環(huán)壽命,聚苯胺的導電性也會影響其儲能性質。將聚苯胺與炭基材料進行復合,可以改善材料的導電性并且提高電容性能。本文研究圍繞聚苯胺進行,分別制備了以聚苯胺為前驅體的摻雜炭材料和聚苯胺/炭復合材料。通過一系列的測試手段,探究了摻雜炭材料形貌、表面官能團、孔結構等對其電化學性能的影響,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,對所得的聚苯胺納米管進行炭化活化處理。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對電容性能的影響,對所得樣品進行還原處理,將還原前后樣品進行對比。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超級電容器容量有貢獻。采用水熱法,通過一步反應制得具有空心結構的聚苯胺納米球。將所得聚苯胺納米球在不同溫度下進行炭化處理,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)秀的電化學性能可以歸因于雜原子摻雜和空心結構。含氧和含氮的官能團不僅可以提高電極材料浸潤性,也通過引入贗電容提高了電容性能。獨特的空心結構提供了高的比表面積,縮短電荷傳輸擴散路徑,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用于鋰離子二次電池時,堆積密度大、可提高電極能量密度,并且球形結構有利于鋰離子從各個方向脫嵌,減小固相擴散電阻,中空結構通常比實心結構具有更好的倍率性能。將所得的多孔炭球應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/多孔空心炭球復合材料應用于超級電容器。多孔空心炭球采用聚苯胺為前驅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特的納米結構。研究了聚苯胺在多孔空心炭球上的負載量對復合材料形貌和電化學性能的影響。當苯胺單體和多孔空心炭球的質量比為2：1時,復合材料獲得最佳的電化學性能。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/聚苯胺復合材料。研究了聚苯胺負載量對復合材料形貌和電化學性能的影響。當苯胺單體和石墨烯質量比10：1時,可以獲得銀耳狀結構的復合材料,表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。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。獨特三維立體結構有利于電解液的浸潤和離子的擴散。
【關鍵詞】：聚苯胺 雜原子摻雜 聚苯胺基復合材料 超級電容器 鋰離子二次電池
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB332
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-25
• 第一章 緒論25-43
• 1.1 前言25
• 1.2 常見儲能設備介紹25-27
• 1.2.1 超級電容器25-26
• 1.2.2 鋰離子二次電池26-27
• 1.3 常見儲能炭材料的介紹27-30
• 1.3.1 碳納米管27
• 1.3.2 多孔炭27-29
• 1.3.3 石墨烯及其復合材料29-30
• 1.4 提高炭材料儲能性能的方法30-32
• 1.4.1 優(yōu)化電極材料結構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 聚苯胺作為前驅體制備炭材料37-39
• 1.6.3 聚苯胺復合材料39-40
• 1.7 本課題的選題依據和主要研究內容40-43
• 1.7.1 選題的目的和意義40-41
• 1.7.2 主要研究內容41-43
• 第二章 實驗與表征方法43-55
• 2.1 研究方案43
• 2.2 本實驗所涉及的原料及試劑43-46
• 2.2.1 化學試劑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 實驗設備46-47
• 2.3.1 材料制備所使用的設備46
• 2.3.2 材料性能表征儀器46-47
• 2.4 實驗方法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/多孔空心炭球復合材料的制備48-49
• 2.4.5 聚苯胺/石墨烯復合材料的制備49-50
• 2.5 測試表征方法50-51
• 2.5.1 場發(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 電儲能性能測試51-55
• 2.6.1 模擬三電極超級電容器及半電池組裝51-52
• 2.6.2 恒流充放電測試52-53
• 2.6.3 循環(huán)伏安測試53-54
• 2.6.4 交流阻抗測試54-55
• 第三章 多孔聚苯胺基碳納米管的制備及電化學性能研究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構56-63
• 3.3.1 聚苯胺納米管的形貌56-57
• 3.3.2 活化溫度對ACNTs形貌影響57-59
• 3.3.3 活化溫度對ACNTs結構的影響59-63
• 3.4 活化溫度對ACNTs電化學性能影響63-67
• 3.4.1 ACNTs的循環(huán)伏安測試63-64
• 3.4.2 ACNTs的恒流充放電測試64-66
• 3.4.3 ACNTs的交流阻抗測試66-67
• 3.5 還原處理探究含氧官能團的影響67-73
• 3.5.1 還原處理對ACNTs-700形貌的影響67-68
• 3.5.2 還原處理對ACNTs-700晶型的影響68-69
• 3.5.3 還原處理對ACNTs-700孔結構的影響69-70
• 3.5.4 還原處理對ACNTs表面官能團的影響70-73
• 3.6 含氧官能團對ACNTs-700電化學性能的影響73-77
• 3.6.1 循環(huán)伏安測試73-74
• 3.6.2 恒流充放電測試74-76
• 3.6.3 交流阻抗測試76-77
• 3.7 小結77-79
• 第四章 雜原子摻雜炭球的制備及電化學性能研究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構80-86
• 4.3.1 反應時間對聚苯胺微球形貌的影響80-82
• 4.3.2 炭化溫度對HCSs形貌的影響82-83
• 4.3.3 炭化溫度對HCSs官能團的影響83-85
• 4.3.4 炭化溫度對HCSs孔結構的影響85-86
• 4.4 炭化溫度對HCSs電化學性能的影響86-90
• 4.4.1 循環(huán)伏安測試86-88
• 4.4.2 恒流充放電測試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構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HHCSs形貌的影響91-93
• 4.6.3 炭化溫度對HHCSs官能團的影響93-95
• 4.6.4 炭化溫度對HHCSs孔結構的影響95-96
• 4.7 炭化溫度對HHCSs電化學性能的影響96-97
• 4.8 小結97-99
• 第五章 多孔空心納米炭球的制備及電化學性能研究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構100-106
• 5.3.1 活化溫度對PHCSs形貌的影響100-101
• 5.3.2 活化溫度對PHCSs晶型的影響101-102
• 5.3.3 活化溫度對PHCSs孔結構的影響102-104
• 5.3.4 活化溫度對PHCSs官能團的影響104-106
• 5.4 多孔聚苯胺基中空炭納米球的電化學性能106-113
• 5.4.1 PHCSs的超級電容器應用107-110
• 5.4.2 PHCSs的儲鋰應用110-113
• 5.5 小結113-115
• 第六章 聚苯胺/多孔空心炭球復合材料的制備及電化學性能研究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構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/多孔空心炭球的結構117-119
• 6.4 聚苯胺/多孔空心炭球的電化學性能研究119-123
• 6.4.1 循環(huán)伏安測試120-121
• 6.4.2 恒流充放電測試121-123
• 6.5 聚苯胺的負載量對復合材料性能的影響123-129
• 6.5.1 聚苯胺的負載量對復合材料形貌的影響123-126
• 6.5.2 聚苯胺的負載量對復合材料結構的影響126-127
• 6.5.3 聚苯胺的負載量對復合材料電化學性能的影響127-129
• 6.6 小結129-131
• 第七章 球形聚苯胺/石墨烯復合材料的制備及電化學性能研究131-143
• 7.1 引言131
• 7.2 球形聚苯胺/石墨烯復合材料的制備131-132
• 7.2.1 石墨烯的制備131-132
• 7.2.2 聚苯胺/石墨烯復合材料的制備132
• 7.3 球形聚苯胺/石墨烯復合材料的形貌和結構132-136
• 7.3.1 球形聚苯胺/石墨烯復合材料的形貌132-134
• 7.3.2 球形聚苯胺/石墨烯復合材料的形貌形成134-135
• 7.3.3 球形聚苯胺/石墨烯復合材料的結構135-136
• 7.4 球形聚苯胺/石墨烯復合材料的電化學性能136-141
• 7.4.1 球形聚苯胺/石墨烯復合材料的循環(huán)伏安測試136-138
• 7.4.2 球形聚苯胺/石墨烯復合材料的恒流充放電測試138-140
• 7.4.3 球形聚苯胺/石墨烯復合材料的交流阻抗測試140-141
• 7.5 不同負載量的聚苯胺對復合材料電化學性能的影響141-142
• 7.6 小結142-143
• 第八章 結論143-145
• 參考文獻145-161
• 致謝161-163
• 研究成果及發(fā)表的學術論文163-165
• 作者和導師簡介165-167
• 博士研究生學位論文答辯委員會決議書167-168

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

本文編號：343808