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《北京化工大学》 2017年
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以苯氧基聚磷腈为前驱体制备多孔多元素掺杂碳材料及其在超级电容器中的应用研究

张彩艳  
【摘要】:随着手提式打字机、智能电子设备及电动车辆等的普及流行,人们对于高功率密度可信赖、稳定、可持续的储能装置的需求也越来越高。近年来,超级电容器作为一类性能优异的储能装置,因其超高的功率容量、较长的循环寿命以及清洁无污染等特点,引起了人们的广泛关注。一般来说,根据储能机制的不同,可以将超级电容器分为两类:一类是双电层电容器(EDLC),电容来自电极与电解质接触界面的静电荷积累,所以其电容值与电极材料的比表面积密切相关。另一类是赝电容器,由于活性粒子的存在会发生快速可逆的法拉第氧化还原反应产生极高比电容值。研究可知,丰富的微孔可以增强双电层电容,但电解质离子难以渗透到微孔中,提高多孔碳高电流密度下的离子转移速率成为解决问题的关键。因此创建碳材料中的分级孔结构,提高碳材料中的离子迁移速率成为研究的重点。而杂元素掺杂是提高赝电容的有效方法之一。基于此,本论文首先使用了实验室合成的富含氮、磷、氧杂原子的苯氧基聚磷腈为碳前驱体,采用掺杂碳酸氢钠的方法制备了具有高比表面积的分级结构多孔碳。同时运用XRD、Raman、SEM、XPS、N2吸附-脱附等表征手段对材料形貌结构及元素构成进行了分析,并借助电化学工作站进行了循环伏安(CV)、恒流充放电(GC)、阻抗等电化学性能测试,对其电容性能进行了系统评估。具体的研究内容如下:(1)以苯氧基聚磷腈(PBPP)为碳源和杂元素源(N、P、O),NaHCO3为自膨胀剂,KOH为活化剂,通过溶剂挥发法与高温热解法相结合制备了氮磷氧共掺杂分级结构多孔碳材料,改变自膨胀剂的质量掺杂比例10:1~10:10(PBPP:NaHCO3),采用SEM、TEM、XPS、XRD、Raman、N2吸脱附等分析测试方法对材料的形貌及结构进行了表征,并通过电化学测试对碳材料性能进行表征,考察了不同自膨胀剂掺杂量对所制备分级结构多孔碳材料形貌结构及性能的影响。(2)随着NaHC03掺杂量的增加,PZCs碳材料的比电容性能的可重复性变差。因此,选择性能较好且较为稳定,NaHCO3掺杂质量比为10:5(PBPP:NaHCO3)改变碳化过程的碳化温度(600/700/800/900℃),考察不同炭化温度对所制备分级结构多孔碳材料形貌结构及电化学性能的影响。(3)NaHC03掺杂质量比为10:5,碳化温度选择800℃,改变活化过程中活化剂KOH的用量(1:2/1:3/1:4),考察不同KOH比例对所制备分级结构多孔碳材料形貌结构及电化学性能的影响。
【学位授予单位】:北京化工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TM53;TQ127.11

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