雜原子摻雜多孔炭的制備與電容性能研究.pdf

1、多孔炭由于具有高的比表面、發(fā)達(dá)的多孔結(jié)構(gòu)和適中的價格，是商品化超級電容器電極材料的首選。本文制備了氮摻雜微孔炭、磷摻雜介孔炭和氮、磷共摻雜高比表面分級孔炭材料，研究了制備工藝對炭材料的結(jié)構(gòu)和電容性能的影響規(guī)律，分析了炭材料的成孔機(jī)制和N、P原子的引入對炭材料在不同電解液中電化學(xué)性能的影響。
　　以含氮有機(jī)酸鹽—乙二胺四乙酸二鈉鹽為碳前軀體，在600-900℃直接熱解制備富氮微孔炭材料(NECs)。隨熱解溫度升高，炭材料的比表面積和

2、孔容分別由600℃的457m2·g-1和0.21cm3·g-1逐漸增加至900℃的1511m2·g-1和0.98cm3·g-1，然而N元素含量卻由8.69at％降低至0.88at％。富氮炭材料在6M KOH電解液中的單位面積比電容與氮含量一樣呈減小的趨勢，從600℃的47uF·cm-2逐漸下降至900℃的10.1uF·cm-2;而在1M Et4NBF4/AN電解液中，單位面積比容量值卻出現(xiàn)先升后降的趨勢，與氮含量沒有相關(guān)性。這說明氮摻雜

3、在無機(jī)電解液體系中可產(chǎn)生較大的贗電容，而在有機(jī)電解液體系中卻不能發(fā)生氧化還原反應(yīng)，不能產(chǎn)生準(zhǔn)電容效應(yīng)。
　　以含磷有機(jī)酸鹽—植酸鈉為磷源和碳源，在不同溫度下（600-900℃）直接熱解制備磷摻雜介孔炭材料(PMCs)。植酸鈉熱解過程中生成炭包覆Na4P2O7納米顆粒(5-12nm)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，用稀鹽酸洗去模板即得到蜂窩狀孔結(jié)構(gòu)的富磷介孔炭。隨熱解溫度升高，炭材料的比表面積變化不大(884-827m2·g-1)，而磷元素含量略有增加

4、(0.53-2.34at％)。電化學(xué)測試表明PMCs在6M KOH電解液體系中呈現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)和倍率性能，在5A·g-1的電流密度下循環(huán)5000以上，PMC900的容量還保持92％以上。在3M H2SO4中的電化學(xué)測試表明，含磷量最高的PMC900(2.34at％)的穩(wěn)定工作電壓窗口可由通常的0-0.9V提高到0-1.6V，能量密度由3.8Wh·kg-1提高到11.8Wh·kg-1，在1.0A·g-1電流密度下循環(huán)充放電5000次容量保

5、持90％以上。這說明P元素的引入能在H2SO4電解液體系中擴(kuò)大多孔炭材料的工作電壓窗口，從而提高電容器整體的能量密度。
　　以農(nóng)產(chǎn)品廢棄物蓮子殼為碳源和氮源，植酸鈉為模板前驅(qū)體和磷源，采用原位模板和NaOH活化制備高比表面積、分級孔結(jié)構(gòu)氮、磷共摻雜炭材料(NPHCs)，考察了植酸鈉用量對炭材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響，并分析了其成孔機(jī)制。結(jié)果表明，熱解過程中植酸鈉分解產(chǎn)生的Na5P3O10與NaOH反應(yīng)原位生成nano-Na2CO3

6、和nano-Na3PO4硬模板進(jìn)行造介孔/大孔，NaOH活化產(chǎn)生大量的微孔，因此所得到的炭材料具有發(fā)達(dá)的分級孔結(jié)構(gòu)。植酸鈉與蓮子殼的質(zhì)量比為2∶1制備的NPHC2表現(xiàn)出最高的比表面積(3188m2·g-1)和孔容(3.20cm3·g-1)，且含有豐富的雜原子(N:3.31at％，P:1.66at％)。在6M KOH和3M H2SO4電解液體系中比容量分別為318F·g-1和414F·g-1，還具有優(yōu)異的循環(huán)性能和大電流倍率性能，甚至在2