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《河北科技大学》 2019年
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介孔碳材料的制备及其在超级电容器中的应用

梁克寒  
【摘要】:由于价格低廉、充/放电速度快、功率密度高、循环稳定性好等优点,超级电容器受到了广泛的研究。其中,电极材料的选择对是影响超级电容器性能的关键因素。在诸多电极材料中,介孔碳材料因其比表面积大,介孔结构丰富,电化学性能好等特点,在超级电容器中得到广泛应用。介孔的存在为电解质的传输提供了有力的条件。本文对模板的选用、合成的方式以及杂原子掺杂对碳材料的影响进行了探索,实现了介孔碳电化学性能的提高。主要研究工作如下:1)提出了一种新颖的“热解-沉积”方法,将废弃的塑料物质聚苯乙烯(PS)转化为有序介孔碳(OMCs)。在合成过程中,PS在高温下热解成有机小分子气体,然后在催化剂作用下通过毛细管吸附到SBA-15的介孔中。得到的有序介孔碳具有高比表面积,均匀的孔径和有序的孔结构。OMCs在电流密度为0.2 A g~(-1)时表现出118 F g~(-1)的比电容,在5000次循环后电化学稳定性为87.2%。“热解-沉积”策略提供了将废塑料转化为用于电化学应用的高性能碳材料的新思路。2)成功制备了掺氮介孔碳(N-MC)。将正硅酸乙酯水解并自聚合以形成介孔二氧化硅。在聚合时,苯胺单体在铁的催化作用下在介孔二氧化硅通道中被吸附和聚合。除去二氧化硅和铁后,得到的N-MC具有丰富的氮,中孔结构和较大的比表面积(1172m~2 g~(-1))。作为电极材料,在三电极系统中的6 M KOH水溶液中,N-MC在0.5 A g~(-1)下表现出优异的334.5 F g~(-1)比电容,并具有良好的循环稳定性(5000次循环后为88.5%)。在5 A g~(-1)时,即使在高电流密度下也能保持81.1%的原始电容,表明N-MC在超级电容器应用中具有巨大的潜力。3)以KIT-6为模板,Fe(NO_3)_3为催化剂,商业用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为C,N和O的来源采用“固-固研磨”方法成功制备了N,O共掺杂有序介孔碳(N/O-OMC)。还讨论了PVP量对样品结构参数的影响。得到的N/O-OMC复制了KIT-6的形貌,显示出合适的N和O掺杂,较大的比表面积和有序的双中孔结构。由于N、O的引入,改善了电极材料在电解液中的润湿性。作为电极材料,N/O-OMC在1 A g~(-1)下表现出优异的比电容229 F g~(-1),优异的倍率性能(79.5%)和循环稳定性(5000次循环后为92.3%)。这种多元素掺杂的有序介孔碳材料被证明是高性能电极材料的良好候选材料。
【学位授予单位】:河北科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TQ127.11

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