多孔氮摻雜炭基納米材料的制備及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、超級(jí)電容器與鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)由于各自獨(dú)特的儲(chǔ)能機(jī)制以及儲(chǔ)能優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、輔助電源、電動(dòng)汽車以及智能電網(wǎng)等。然而通過雙電層電荷存儲(chǔ)機(jī)制的炭基超級(jí)電容器電極材料具有有限的能量密度，而傳統(tǒng)氧化物基鋰離子電池負(fù)極材料具有低電子導(dǎo)電率以及慢鋰離子擴(kuò)散速率。通過異質(zhì)原子摻雜能夠在炭基材料中引入贗電容效應(yīng)進(jìn)而提高其能量密度;異質(zhì)原子摻雜的多孔碳骨架復(fù)合氧化物納米結(jié)構(gòu)不僅能夠有效提高電極材料的電子導(dǎo)電率，而且能夠縮短鋰離子擴(kuò)散路徑并

2、提供良好的應(yīng)力緩釋作用。本文通過聚吡咯、聚苯胺以及沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8)等原位碳化過程分別制備氮氧共摻雜活化碳納米管、氮氧共摻雜多孔碳納米骨架材料以及多孔氮摻雜炭/ZnO多面體，改善并提高三者作為超級(jí)電容器或鋰離子電池負(fù)極電極材料的容量、倍率性能以及循環(huán)穩(wěn)定性。本文主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)氮氧共摻雜活化碳納米管:采用聚吡咯納米管作為含氮聚合物前驅(qū)體，采用兩步高溫碳化-活化法成功制備含氮氧活化碳納米管。碳化階段形成相

3、比于聚吡咯前驅(qū)體更穩(wěn)定的無定形碳納米管，其確保了隨后KOH活化過程不會(huì)破壞碳納米管的形貌、孔結(jié)構(gòu)等。所獲得的氮氧共摻雜活化碳納米管具有高氮含量(19.8 wt.％)、氧含量(11.1 wt.％)、以及大比表面積（705.9 m2 g-1）。氮氧共摻雜活化碳納米管具有豐富的孔結(jié)構(gòu)、大比表面積以及豐富的氮、氧官能團(tuán)因而表現(xiàn)出優(yōu)異的電容性能，比如高比電容（0.5 Ag-1時(shí)放電比容量為384.9 Fg-1）、優(yōu)異的倍率性能（50 Ag-1時(shí)放

4、電比容量為201 Fg-1）以及優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性(500次循環(huán)后容量損失率僅僅為2.4％)。
　　(2)氮氧共摻雜多孔碳納米骨架:采用KOH作為活化劑、聚苯胺聚合物為前驅(qū)體，通過一步碳化-活化法成功合成含氮、氧多級(jí)孔碳骨架結(jié)構(gòu)。所合成的多孔碳骨架具有高比表面積（2280.0 m2 g-1）、大孔體積（1.75 cm3 g-1）以及豐富的氮、氧官能團(tuán)。當(dāng)KOH與聚苯胺聚合物前驅(qū)體比例為4∶1時(shí)，所合成的多孔碳骨架結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)異的電容

5、性能，例如大比容量（電流密度為0.5Ag-1時(shí)，放電比電容為428.1Fg-1）、優(yōu)異的倍率性能（電流密度為50Ag-1時(shí)，放電比電容為299.7 Fg-1）以及優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。所合成材料的功率密度以及能量密度分別能達(dá)到14275 W kg-1和18.6 Wh kg-1。
　　(3)多孔氮摻雜炭/ZnO多面體:以沸石咪唑酯骨架-8為前驅(qū)體和模板，通過原位煅燒法合成了多孔氮摻雜炭/ZnO多面體。所制備的多孔氮摻雜炭/ZnO多面體具

6、有多級(jí)結(jié)構(gòu)、高比表面積（390.7 m2 g-1）、高氮含量（19.99 at.％）以及豐富的孔結(jié)構(gòu)。多孔氮摻雜炭多面體導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)不僅能夠增加ZnO納米晶的電子導(dǎo)電率，而且能夠提供有利于鋰離子快速傳導(dǎo)并在充放電循環(huán)過程中緩和體積變化的內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)。作為鋰離子電池負(fù)極材料應(yīng)用研究時(shí)，多孔氮摻雜炭/ZnO多面體表現(xiàn)出高的可逆比容量（在起始倍率為0.5 C時(shí)，可逆比容量為834.3 mAh g-1）、高倍率性能（在倍率為5和10C，可逆比容量分