氮摻雜有序介孔碳材料的制備及其應(yīng)用研究.pdf

1、超級電容器是一種新型儲能裝置，因其功率密度高、循環(huán)壽命長以及充放電速率快等優(yōu)點而成為當(dāng)今能源領(lǐng)域的研究重點。有序介孔碳材料具有獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，使得在電極材料領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。研究表明雜原子(N、P、B)摻雜能有效提高有序介孔碳材料的電化學(xué)性能，本論文以提高有序介孔碳的電化學(xué)性能著手，合成出一系列氮（氮磷）摻雜有序介孔碳材料。通過XRD、N2吸/脫附、TEM、SEM、XPS、紅外等表征手段對其形貌結(jié)構(gòu)及元素構(gòu)成進行了分析，并采用循環(huán)伏安(

2、CV)、恒流充放電(GC)等電化學(xué)測試技術(shù)等對其電容性能進行了系統(tǒng)評估。
　　(1)以SBA-15為模板，廉價易得的蔗糖胺為碳源，成功制備出具有二維六角有序結(jié)構(gòu)的氮摻雜有序介孔碳(SNOMC)。XRD、TEM、SEM顯示材料成功逆向復(fù)制出模板SBA-15的孔道結(jié)構(gòu);N2吸/附實驗結(jié)果表明該材料具有較大的比表面積(863 m2· g-1～1061 m2· g-1)和孔容(1.38cm3·g-1～1.56cm-1·g-1); XPS表

3、征結(jié)果表明N雜原子通過類石墨態(tài)和類吡啶態(tài)氮結(jié)構(gòu)成功摻雜進碳原子網(wǎng)絡(luò)。電化學(xué)測試結(jié)果表明，由于氮原子的引入，大幅提高了有序介孔碳材料的電化學(xué)活性，其比電容在1A·g-1電流密度下達(dá)到320F·g-1，顯示出該材料是一種極具應(yīng)用價值的電極材料。
　　(2)以SBA-15為模板，吡咯為氮源和碳源，KMnO4為氧化劑，成功制備出氮摻雜有序介孔碳材料(SKNOMC)。XRD分析表明材料孔道結(jié)構(gòu)具有部分有序性;TEM、SEM分析顯示材料局部復(fù)

4、制出SBA-15模板的二維六角孔道結(jié)構(gòu);N2吸/附實驗結(jié)果表明該材料的比表面積為381 m2· g-1～606m2· g-1，孔容為0.54cm3· g-1～0.68cm3· g-1，并且孔結(jié)構(gòu)中存在大量的微孔;XPS表征顯示所制備樣品表面檢測不到Mn原子，N雜原子通過類石墨態(tài)和類吡啶態(tài)碳氮結(jié)構(gòu)成功摻雜進碳原子網(wǎng)絡(luò)。電化學(xué)性能測試表明該材料在2mol· L-1 KOH電解液中比電容達(dá)315F·g-1（1A·g-1電流密度下），高于未摻雜

5、的有序介孔碳（CMK-3為129F·g-1），表明該電極材料具有良好的應(yīng)用前景。
　　(3)采用吡咯為氮源和碳源、磷酸為磷源，結(jié)合模板法和高溫鑄型技術(shù)制備了氮磷共摻雜有序介孔碳KNPOMC。XRD、TEM、SEM表征結(jié)果顯示該材料局部復(fù)制出模板KIT-6的三維有序結(jié)構(gòu);N2吸/附實驗結(jié)果顯示出材料的比表面積為388m2·g-1～851m2·g-1之間，孔容為0.589cm3· g-1～1.032cm3· g-1; XPS測試顯示樣

6、品成功摻入N、P原子，且KNPOMC-650樣品中氮雜原子主要通過類石墨態(tài)和N-O摻雜進碳原子網(wǎng)絡(luò)，KNPOMC-800和KNPOMC-950樣品中氮雜原子主要通過類石墨態(tài)和類吡啶態(tài)摻雜進碳原子網(wǎng)絡(luò)，三種樣品中P與C原子主要通過C-P-C鍵合。電化學(xué)性能測試顯示樣品作為電極材料以2mol· L-1 KOH作為電解液，在1A·g-1的電流密度下其比電容高達(dá)265F·g-1。
　　(4)比較研究了典型的超級電容器電極材料CMK-3在C