炭材料孔隙結(jié)構(gòu)的調(diào)控及其電化學(xué)性能的研究.pdf

1、本論文中，在利用模板炭化法，通過(guò)調(diào)控碳前驅(qū)體與模板間質(zhì)量比、炭化溫度等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)納米多孔炭材料孔結(jié)構(gòu)的調(diào)控，并制備了一系列的具有高比表面積和孔容的納米多孔炭材料，考察其表面官能團(tuán)的存在形式和結(jié)晶化的程度。此外還在二電極、三電極的電化學(xué)測(cè)量體系中測(cè)定超電容性能，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)添加氧化還原活性劑進(jìn)一步提高電化學(xué)性能。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.使用一種簡(jiǎn)單有效的模板炭化法來(lái)制備具有球形結(jié)構(gòu)的氮摻雜納米多孔炭材料，其中對(duì)稱(chēng)二苯

2、胍(C13H13N3)作為碳源、碳酸鈣(CaCO3)作為硬模板、偶氮二甲酰胺(C2H4N4O2)作為氮化劑。實(shí)驗(yàn)所得到的納米多孔炭材料均呈現(xiàn)低石墨化程度的非晶結(jié)構(gòu)，且樣品具有獨(dú)特的納米微球形的結(jié)構(gòu)，樣品中氮的存在形式有吡啶氮、嘰咯氮和石墨氮。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了碳源與模板以及氮化劑之間的配比可以有效的控制比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)和氮含量。Carbon-DC樣品的比表面積達(dá)到了652.3m2·g-1、含氮量是6.9at.％，而經(jīng)過(guò)氮化處理后得到的Ca

3、rbon-DCA樣品的比表面積卻提高到1022.6m2·g-1、含氮率也高達(dá)12.45at.％。
　　首先在以KOH為電解液的三電極體系中進(jìn)行電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，在1Ag-1的電流密度下，Carbon-DC樣品顯示了176.2F·g-1的質(zhì)量比電容，而Carbon-DCA樣品的質(zhì)量比電容則提高到了220.0F·g-1。在炭化過(guò)程中，進(jìn)一步通過(guò)加入氮化劑偶氮二甲酰胺進(jìn)行氮摻雜處理后的納米多孔炭材料，其孔隙率和含氮量都得到了很大的提升

4、，隨后在以H2SO4為電解液的三電極體系中測(cè)試了Carbon-DCA的電化學(xué)性能。在1Ag-1的電流密度下，Carbon-DCA樣品的質(zhì)量比電容由220.0F·g-1提高到263.0F·g-1，并且展示了良好的倍率性能和電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性。
　　2.利用檸檬酸鎂(C12H10Mg3O4·14H2O)作為碳源、鎂粉作為模板，采用一種簡(jiǎn)單的多模板炭化法制備納米多孔炭材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，檸檬酸鎂和鎂粉的質(zhì)量比以及炭化的溫度對(duì)所得納米多孔炭

5、材料的比表面積、孔隙率和電化學(xué)性能有著重要的影響。在900℃的炭化溫度下得到的C-4∶1-900樣品顯示了超高的比表面積為1972.1m2·g-1和超大的孔容為4.78cm3·g-1。此外，隨著炭化溫度的的升高，納米多孔炭材料的晶化程度會(huì)得到顯著的提高。
　　在1A·g-1的電流密度下，C-4∶1-900的質(zhì)量比電容高達(dá)236.5F·g-1。而且在20A·g-1的電流密度下，該樣品的電容保留率高達(dá)66.3％。二電極體系中，通過(guò)控制

6、測(cè)量溫度對(duì)C-4∶1-900樣品的電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)量。在25、50和80℃三個(gè)不同的測(cè)量溫度下測(cè)量，樣品的質(zhì)量比電容分別為132.6、158.4和178.2Fg-1。此外，測(cè)量溫度為80℃時(shí)，樣品顯示了最高的能量密度。當(dāng)功率密度為10W·kg-1，能量密度達(dá)到了15.0Wh·kg-1。
　　3.采用一種協(xié)同的催化石墨化的模板炭化法制備具有高比表面積的納米多孔炭材料，其中檸檬酸鎂(C12H10Mg3O4·14H2O)作為碳源、硝酸鎳

7、(NiNO3·6H2O)作為石墨化催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低溫下容易得到高的孔隙率和低的石墨化程度，而高溫下容易得到低的孔隙率和高的石墨化程度。C-800樣品的比表面積高達(dá)2587.13m2·g-1，這比大多數(shù)報(bào)導(dǎo)過(guò)的納米多孔炭材料都要大，相應(yīng)的孔容也達(dá)到了4.64cm3·g-1，但是石墨化的程度卻很低。而C-1000樣品的比表面積是967.96m2·g-1，但卻能在高分辨率透射電鏡下觀察到最明亮清晰的選區(qū)電子衍射環(huán)，表明了其最好的石墨化

8、程度。
　　當(dāng)電流密度為1A·g-1時(shí)，C-800樣品顯示了最大的質(zhì)量比電容為305.3Fg-1，但是石墨化程度最好的C-1000樣品顯示了更好的電容保留率。此后，當(dāng)向電解液中添加不同濃度的對(duì)硝基苯胺(C6H6N2O2)作為電解液時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的恒電流充放電曲線上可以看到明顯的充放電平臺(tái)，且所有的循環(huán)伏安曲線上都有一對(duì)寬廣對(duì)稱(chēng)的氧化還原峰。在1A·g-1的電流密度下，C-800-2的質(zhì)量比電容是502.1F·g-1，這要大干C-80