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氮掺杂有序介孔碳材料的制备及应用研究

郑力文  
【摘要】:超级电容器是一种新型储能装置,因其功率密度高、循环寿命长以及充放电速率快等优点而成为当今能源领域的研究重点。有序介孔碳材料具有独特的物理化学性质,使得在电极材料领域应用广泛。研究表明杂原子(N、P、B)掺杂能有效提高有序介孔碳材料的电化学性能,本论文以提高有序介孔碳的电化学性能着手,合成出一系列氮(氮磷)掺杂有序介孔碳材料。通过XRD.N2吸/脱附、TEM、SEM.XPS.红外等表征手段对其形貌结构及元素构成进行了分析,并采用循环伏安(CV)、恒流充放电(GC)等电化学测试技术等对其电容性能进行了系统评估。 (1)以SBA-15为模板,廉价易得的蔗糖胺为碳源,成功制备出具有二维六角有序结构的氮掺杂有序介孔碳(SNOMC).XRD.TEM.SEM显示材料成功逆向复制出模板SBA-15的孔道结构;N2吸/附实验结果表明该材料具有较大的比表面积(863m2·g-1-1061m2·g-1)和孔容(1.38cm3·g-~1.56cm3·g-1);XPS表征结果表明N杂原子通过类石墨态和类吡啶态氮结构成功掺杂进碳原子网络。电化学测试结果表明,由于氮原子的引入,大幅提高了有序介孔碳材料的电化学活性,其比电容在1A·g-1电流密度下达到320F·g-,显示出该材料是一种极具应用价值的电极材料。 (2)以SBA-15为模板,吡咯为氮源和碳源,KMn04为氧化剂,成功制备出氮掺杂有序介孔碳材料(SKNOMC).XRD分析表明材料孔道结构具有部分有序性;TEM.SEM分析显示材料局部复制出SBA-15模板的二维六角孔道结构;N2吸/附实验结果表明该材料的比表面积为381m2·g-1~606m2·g-1,孔容为0.54cm3.g-1~0.68cm3·g-1,并且孔结构中存在大量的微孔;XPS表征显示所制备样品表面检测不到Mn原子,N杂原子通过类石墨态和类吡啶态碳氮结构成功掺杂进碳原子网络。电化学性能测试表明该材料在2mo1·L-1KOH电解液中比电容达315F·g-1(1A·g-1电流密度下),高于未掺杂的有序介孔碳(CMK-3为129F·g-1),表明该电极材料具有良好的应用前景。 (3)采用吡咯为氮源和碳源、磷酸为磷源,结合模板法和高温铸型技术制备了氮磷共掺杂有序介孔碳KNPOMC.XRD.TEM.SEM表征结果显示该材料局部复制出模板KIT-6的三维有序结构;N2吸/附实验结果显示出材料的比表面积为388m2·g-1~851m2·g-1之间,孔容为0.589cm3·g-1~1.032cm3·g-1:XPS测试显示样品成功掺入N、P原子,且KNPOMC-650样品中氮杂原子主要通过类石墨态和N-O掺杂进碳原子网络,KNPOMC-800和KNPOMC-950样品中氮杂原子主要通过类石墨态和类吡啶态掺杂进碳原子网络,三种样品中P与C原子主要通过C-P-C键合。电化学性能测试显示样品作为电极材料以2m01·L-1KOH作为电解液,在1A·g-1的电流密度下其比电容高达265F·g-1。 (4)比较研究了典型的超级电容器电极材料CMK-3在Ca(NO3)2、NaNO3和KOH电解液中的电化学性能。研究结果显示CMK-3在Ca(N03)2电解液中的比电容为210F·g-1,比在NaNO3和KOH电解液中分别高出40%和54%,同时显示出CMK-3在Ca(NO3)2电解液中既有双电层电容又有法拉第赝电容,CMK-3表面的含氧官能团对法拉第赝电容行为起了很重要的作用。研究结果表明Ca(NO3)2作为电解液时可大幅提高碳基超级电容器的性能,是一种具有潜在应用价值的电解液。


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