炭材料孔隙結構的調控及其電化學性能的研究.pdf

1、本論文中，在利用模板炭化法，通過調控碳前驅體與模板間質量比、炭化溫度等手段，實現對納米多孔炭材料孔結構的調控，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構的氮摻雜納米多孔炭材料，其中對稱二苯

2、胍(C13H13N3)作為碳源、碳酸鈣(CaCO3)作為硬模板、偶氮二甲酰胺(C2H4N4O2)作為氮化劑。實驗所得到的納米多孔炭材料均呈現低石墨化程度的非晶結構，且樣品具有獨特的納米微球形的結構，樣品中氮的存在形式有吡啶氮、嘰咯氮和石墨氮。實驗結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、孔隙結構和氮含量。Carbon-DC樣品的比表面積達到了652.3m2·g-1、含氮量是6.9at.％，而經過氮化處理后得到的Ca

3、rbon-DCA樣品的比表面積卻提高到1022.6m2·g-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1Ag-1的電流密度下，Carbon-DC樣品顯示了176.2F·g-1的質量比電容，而Carbon-DCA樣品的質量比電容則提高到了220.0F·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

4、，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1Ag-1的電流密度下，Carbon-DCA樣品的質量比電容由220.0F·g-1提高到263.0F·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(C12H10Mg3O4·14H2O)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。實驗結果表明，檸檬酸鎂和鎂粉的質量比以及炭化的溫度對所得納米多孔炭

5、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1972.1m2·g-1和超大的孔容為4.78cm3·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1A·g-1的電流密度下，C-4∶1-900的質量比電容高達236.5F·g-1。而且在20A·g-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

6、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，樣品的質量比電容分別為132.6、158.4和178.2Fg-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10W·kg-1，能量密度達到了15.0Wh·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(C12H10Mg3O4·14H2O)作為碳源、硝酸鎳

7、(NiNO3·6H2O)作為石墨化催化劑。實驗結果表明，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2587.13m2·g-1，這比大多數報導過的納米多孔炭材料都要大，相應的孔容也達到了4.64cm3·g-1，但是石墨化的程度卻很低。而C-1000樣品的比表面積是967.96m2·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

8、程度。
　　當電流密度為1A·g-1時，C-800樣品顯示了最大的質量比電容為305.3Fg-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(C6H6N2O2)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1A·g-1的電流密度下，C-800-2的質量比電容是502.1F·g-1，這要大干C-80