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三维有序蜂窝状氮掺杂碳/聚苯胺复合物的制备及其电化学性能研究

贺红梅  
【摘要】:超级电容器作为高效的能源储存和清洁能源受到越来越广泛的关注。它可以提供更高的功率密度、更长的循环寿命、更快的充电和放电时间间隔的,是一种清洁、环保、安全、电容量大、储能能力强的装置。而电极材料是影响其性能的关键因素,因此研究、开发具有高能量、性能稳定的材料成为研究的热点。具有多种纳米结构、高比表面积、成本相对较低、导电性好、循环寿命长、稳定性好的碳材料得到大量的运用,但其理论比电容值低。聚苯胺因较低的生产成本、多种简单的合成方式、多个氧化还原状态以及高的理论比电容等特点成为赝电容有前景的电极材料,但其在高速充/放电的过程中容易发生体积的膨胀与收缩,导致循环稳定性差,电容衰减严重。因此越来越多的研究人员致力于开发碳材料与聚苯胺的复合材料以解决单一材料对超级电容器的限制,扩大其商业发展。其中,三维多孔氮掺杂碳和PANI的复合材料受到关注尤其多。基于以上分析,本文以三维有序蜂窝状氮掺杂碳基质(HNC)为载体,成功制备HNC/PANI纳米复合材料。主要研究内容如下:采用改进的St?ber方法合成SiO_2纳米球作为模板,利用PANI的原位聚合得到含碳、氮元素的前驱体,对其进行高温碳化与刻蚀,得到具有高比表面积的三维有序蜂窝状氮掺杂碳基质。通过原位组装将PANI包覆在HNC表面上,构建HNC/PANI复合材料。同时还研究不同含量聚苯胺所制备的前驱体对复合材料性能的影响、碳基质与苯胺浓度配比对复合材料性能的影响以及碳基质的形貌对复合材料性能的影响。通过采用SEM、TEM、FT-IR、XRD、BET以及拉曼光谱等微观表征方式对HNC碳基质和HNC/PANI复合材料的形貌和结构进行分析;采用CV、GCD、EIS等电化学测试方式研究其电容性能及循环稳定性。通过分析研究得到以下结论:(1)通过对HNC微观结构分析,表明制备的HNC具有相互连通、孔径均一的蜂窝状结构,氮元素均匀分布,比表面积达1056 m~2 g~(-1),总孔体积为1.04 cm~3 g~(-1);通过电化学测试分析,表明有序碳材料HNC具备优良的电化学性能,HNC在电流密度为1 A g~(-1)时比电容值达到215 F g~(-1),当电流密度增大到10 A g~(-1)时,电容保留率达81%,且5 000次恒电流充/放电循环后,比电容仍达到初始电容的92.2%。(2)通过对HNC/PANI复合材料进行微观表征,PANI纳米纤维均匀负载在蜂窝状碳基质表面,且聚合过程中多孔结构没有发生明显的变化;电化学测试分析表明,HNC/PANI复合材料的比电容与循环稳定性具有显著的提升。在1 A g~(-1)的电流密度下HNC/PANI复合材料比电容达到686 F g~(-1),在10 A g~(-1)的电流密度下保留74.1%的初始电容,经过5 000次循环充/放电后,其电容量可以保持在87.8%,优于无序模板氮掺杂碳/聚苯胺(NDC/PANI)复合材料的76.3%。因此,具有优异性能的复合材料的制备方式有望成为高性能超级电容器的电极材料。


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