氮摻雜碳電極材料的制備及其超級(jí)電容器應(yīng)用研究.pdf

1、當(dāng)前，隨著化石燃料的過度消耗和能源需求日益增長(zhǎng)，可持續(xù)能源的開發(fā)和應(yīng)用成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)和科研研究的重點(diǎn)。電化學(xué)能源的有效儲(chǔ)存和將可持續(xù)資源轉(zhuǎn)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(jí)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?fù)碛懈L(zhǎng)的循環(huán)壽命等優(yōu)越性能，超級(jí)電容器被認(rèn)為是最有潛力的能源儲(chǔ)存設(shè)備之一，且已在很多領(lǐng)域有著廣泛的運(yùn)用。因此，研究者們開展超級(jí)電容器的研究工作具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義和社

2、會(huì)效益。當(dāng)然，超級(jí)電容器的性能也會(huì)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(dǎo)性等。但是，在所有影響因素當(dāng)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(jí)電容器性能最關(guān)鍵的一項(xiàng)，即電極材料。為了提高電容器的能量存儲(chǔ)，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(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)的碳基材

3、料。我們首先運(yùn)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?dú)馕?脫附分析等技術(shù)手段對(duì)制備的碳材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)及表面化學(xué)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(cè)試材料的電化學(xué)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(xiàn)綜述、實(shí)驗(yàn)和結(jié)論三大部分。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下：
　　1.在第一個(gè)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(jié)構(gòu)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(yīng)用于電化學(xué)超級(jí)電容器中。以PS-PANI/rGO復(fù)合材料作為超級(jí)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(dá)到352.8 W kg?1，能量密度達(dá)到49 W h kg?1，同時(shí)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(jìn)一步表明我們所制備的復(fù)合電極材料在電化學(xué)能源儲(chǔ)存領(lǐng)域中有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　2.在第二個(gè)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(duì)氮摻雜的模板碳材料進(jìn)一步活化，然后利用水熱法得到少量具有孔碳結(jié)構(gòu)的功能化碳材料。通過改變碳化溫度和活化時(shí)間，獲得了最優(yōu)條件下氮摻雜的石墨化孔碳層。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果如下：在碳化溫度850oC和活化時(shí)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(duì)稱電池中最高容量達(dá)107 F g?1（0.1 A g?1），且在恒流充放電10000次以后，容量?jī)H衰減了2%，這展示了優(yōu)異的倍率性能和長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)穩(wěn)定性能。此類電極材料的優(yōu)異電化學(xué)性能主要?dú)w功于所制備的氮摻雜碳基材料獨(dú)特的三維石墨碳層結(jié)構(gòu)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(dú)特的結(jié)構(gòu)以及組成使它有望成為有潛在應(yīng)用價(jià)值的電容器電極材料。電化學(xué)測(cè)試結(jié)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(dá)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(xué)性能表明，利用簡(jiǎn)單的模板