瀝青基雜原子共摻雜多孔炭的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、多孔炭材料具有比表面積高、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是一種性能優(yōu)異的超級(jí)電容器電極材料，但能量密度低一直是制約其大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸，研究表明通過(guò)雜原子摻雜可以改善其表面性能進(jìn)而提高能量密度。人們對(duì)超級(jí)電容器電極材料的開(kāi)發(fā)研究?jī)A注了大量的精力，各種有機(jī)物通過(guò)不同方法被用來(lái)制備炭材料，利用重質(zhì)有機(jī)物作為原料來(lái)制備炭材料更具實(shí)際意義。本文利用來(lái)自煤炭直接液化殘?jiān)懈叻肿訛r青質(zhì)為原料，通過(guò)混酸氧化制備兩親性碳質(zhì)材料(ACM)，并以此為碳氮前驅(qū)體分別

2、制備了硼氮共摻雜多孔炭和磷氮共摻雜多孔炭;采用掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)對(duì)材料的形貌進(jìn)行觀測(cè)，X射線衍射(XRD)和拉曼光譜對(duì)材料的微晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，N2吸附表征材料的孔結(jié)構(gòu)，采用元素分析、電感耦合等離子體(ICP)、X射線光電子能譜(XPS)對(duì)材料的組成進(jìn)行分析，并利用電化學(xué)工作站及電池測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。
　　主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　(1)將煤炭直接液化殘?jiān)刑崛〉臑r青質(zhì)經(jīng)過(guò)混酸

3、(HNO3/H2SO4)氧化制備ACM，研究表明ACM中含有大量的-OH、-COOH等親水性官能團(tuán)以及-NO2等含氮官能團(tuán)，前者能夠改善ACM在水溶液中的分散性，而后者可以作為炭材料制備過(guò)程中的氮前驅(qū)體。
　　(2)以ACM作為碳氮前驅(qū)體，以硼酸作為硼源和造孔劑制備了硼氮共摻雜多孔炭，研究了硼酸/ACM比例以及熱處理溫度對(duì)材料孔結(jié)構(gòu)及組成的影響以及結(jié)構(gòu)、組成和電化學(xué)性能之間的“構(gòu)——效關(guān)系”，同時(shí)對(duì)ACM基硼氮共摻雜多孔炭的制備流

4、程機(jī)理進(jìn)行推測(cè)。結(jié)果表明:隨著硼酸/ACM比例的增加和熱處理溫度的升高，材料的比表面積和孔容均呈先增加后下降的趨勢(shì)，而材料的中孔含量和平均孔徑均逐漸增加;材料的氮含量均逐漸降低但硼含量均呈逐漸增加的趨勢(shì)。其中硼酸/ACM比例為5，經(jīng)過(guò)900℃熱處理得到的材料的比表面積和孔容分別為1103m2·g-1，0.921cm3·g-1，氮含量為5.256wt.％，硼含量為1.703wt.％;該樣品在三電極體系6MKOH電解液體系中，當(dāng)電流密度為1

5、00mA·g-1時(shí)質(zhì)量比電容達(dá)到349F·g-1，具有最大的質(zhì)量比電容，而經(jīng)1000℃熱處理得到的產(chǎn)品倍率特性最優(yōu)，當(dāng)電流密度從100mA·g-1增加到10A·g-1時(shí)，比電容保持率為75％;ACM表面的親水性官能團(tuán)利于造孔劑硼酸的分散以及與前驅(qū)體之間的結(jié)合，對(duì)材料的孔結(jié)構(gòu)及表面性質(zhì)的控制起到重要作用。
　　(3)以ACM作為碳氮前驅(qū)體，以磷酸作為磷源和活化劑制備了磷氮共摻雜活性炭，研究了磷酸/ACM比例對(duì)材料孔結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)及其

6、電化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:磷酸活化處理可以改善材料孔結(jié)構(gòu)，隨著磷酸/ACM比例的增加，材料的比表面積及微孔孔容逐漸增加，但材料的總孔容、中孔孔容及中孔含量呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì);材料的氮含量及磷含量均隨著磷酸與前驅(qū)體比例的增加而緩慢下降而氧含量則逐漸增加。磷酸/ACM比例為4時(shí)制得的磷氮共摻雜多孔炭的比表面積和孔容分別為1914m2·g-1，1.166cm3·g-1，氮含量為1.14at.％，磷含量為0.27at.％;該材料具有最佳的