氮摻雜碳電極材料的制備及其超級電容器應用研究.pdf

1、當前，隨著化石燃料的過度消耗和能源需求日益增長，可持續(xù)能源的開發(fā)和應用成為社會關注的焦點和科研研究的重點。電化學能源的有效儲存和將可持續(xù)資源轉換利用是目前為止獲得可持續(xù)能源最主要的兩種方式。由于超級電容器可以提供高功率密度、寬工作溫度范圍、高穩(wěn)定性和安全性以及比傳統(tǒng)的電池擁有更長的循環(huán)壽命等優(yōu)越性能，超級電容器被認為是最有潛力的能源儲存設備之一，且已在很多領域有著廣泛的運用。因此，研究者們開展超級電容器的研究工作具有非常大的現(xiàn)實意義和社

2、會效益。當然，超級電容器的性能也會受到一些因素的影響與制約，比如電極材料、電解液以及電導性等。但是，在所有影響因素當中，電極材料是最重要的因素，因而研究者們把研究的精力與注意力主要放在高性能電容器的電極材料上。在本論文中，我們著重研究了影響超級電容器性能最關鍵的一項，即電極材料。為了提高電容器的能量存儲，我們選擇了碳基材料作為電容器的電極材料。我們利用雜原子引入法和模板法，通過調(diào)節(jié)原料比例制備一系列具有不同微觀結構和表面化學性質(zhì)的碳基材

3、料。我們首先運用了掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線衍射儀(XRD)、X射線光電子能譜儀(XPS)、拉曼光譜和低溫氮氣吸-脫附分析等技術手段對制備的碳材料進行結構及表面化學分析，然后利用循環(huán)伏安、恒電流充放電、交流阻抗等方法測試材料的電化學性能，并篩選出具有高容量的功能化碳電極材料。本論文主要包括文獻綜述、實驗和結論三大部分。主要研究內(nèi)容及結果如下：
　　1.在第一個工作中，利用氧化石墨烯在維生素C中原位還

4、原和自組裝合成了一種納米結構的聚苯乙烯/聚苯胺/還原氧化石墨烯（PS-PANI/rGO）雜化材料，并成功將它應用于電化學超級電容器中。以PS-PANI/rGO復合材料作為超級電容器的電極材料，在電位窗口為-0.4~1.0 V和電流密度為0.5 A g?1條件下，其容量為180 F g?1，且功率密度達到352.8 W kg?1，能量密度達到49 W h kg?1，同時具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性能（循環(huán)5000次后，容量還保持在最初的74％），

5、這些優(yōu)異的性能進一步表明我們所制備的復合電極材料在電化學能源儲存領域中有潛在的應用價值。
　　2.在第二個工作中，以膨脹珍珠巖為硬模板，雞蛋清為碳源和氮源，制備出了氮摻雜的模板石墨化碳層，再以氫氧化鉀為活化劑對氮摻雜的模板碳材料進一步活化，然后利用水熱法得到少量具有孔碳結構的功能化碳材料。通過改變碳化溫度和活化時間，獲得了最優(yōu)條件下氮摻雜的石墨化孔碳層。電化學測試結果如下：在碳化溫度850oC和活化時間6 h的條件下，該材料在三電

6、極體系下具有最高容量302 F g?1（0.5 A g?1）。此外，該樣品在兩電極對稱電池中最高容量達107 F g?1（0.1 A g?1），且在恒流充放電10000次以后，容量僅衰減了2%，這展示了優(yōu)異的倍率性能和長時間循環(huán)穩(wěn)定性能。此類電極材料的優(yōu)異電化學性能主要歸功于所制備的氮摻雜碳基材料獨特的三維石墨碳層結構和高含量的氮摻雜。
　　3.在第三部分工作中，以納米氧化鋅為模板，雞蛋清為碳源和氮源，通過兩步模板法制備了氮摻雜的

7、分層介孔碳材料。通過改變模板與蛋清的質(zhì)量比以及碳化的溫度，獲得了最優(yōu)條件下氮摻雜的介孔碳材料。其獨特的結構以及組成使它有望成為有潛在應用價值的電容器電極材料。電化學測試結果表明，在納米氧化鋅與雞蛋清質(zhì)量比為2:1，碳化溫度為800oC的條件下，該材料在三電極體系下容量達到205 F g?1（0.5 A g?1）。此外，該材料還具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，即在循環(huán)5000圈以后，容量還保持在最初的97%。這些優(yōu)良的電化學性能表明，利用簡單的模板