氮掺杂多孔碳/聚苯胺复合电极材料的构建及其应用研究

摘要

超级电容器(Supercapacitor)作为储能器件具备很多优点，比如工作温度范围宽、安全性高、电容密度高、循环寿命长和环境友好等，因而受到了普遍关注。由于充放电原理的不同，超级电容器有双电层电容器和赝电容器之分。其中，双电层电容器的比电容低，但是循环稳定性高，而赝电容器刚好相反，比电容高循环稳定性低，所以兼具两种电容的电极材料具有更优秀的性能。聚苯胺(PANI)具有赝电容的性质，因其导电性好、成本低、容易合成，受到研究者的广泛关注，但是PANI的循环稳定性差、衰减快，因此现在的研究热点是提高聚苯胺的循环稳定性。碳材料具有双电层电容的性质，它的稳定性高，是最具有前景的支撑材料，将聚苯胺与碳材料复合制备二元复合材料，可以有效的改善聚苯胺的性质，得到高性能的超级电容器电极材料。
　　本文先制备一种高性能的氮掺杂多孔碳材料，可以将其用作聚苯胺的支撑材料。采用一锅法合成碳源，先在2-甲基咪唑水溶液中合成ZIF-67晶体，接着加入正硅酸乙酯、间苯二酚和甲醛，由正硅酸乙酯水解得到的二氧化硅初级粒子和由间苯二酚和甲醛聚合的酚醛树脂(RF)共同沉积在 ZIF-67晶体的表面，就得到了碳源ZIF-67/SiO2/RF。实现一锅法的关键是2-甲基咪唑水溶液显碱性可以催化正硅酸乙酯的水解和酚醛树脂的聚合。在氮气条件下700℃碳化碳源ZIF-67/SiO2/RF，刻蚀掉二氧化硅后就得到了氮掺杂多孔碳材料Carbon-ZSR，制备的氮掺杂多孔碳材料具有高的石墨化程度、宽的孔径分布和大的比表面积。将它应用于超级电容器中时，电流密度为1 Ag-1时的比电容为305 Fg-1；电流密度为10 Ag-1时的比电容为229 Fg-1，在10 Ag-1时循环5000圈后比电容仍然保留98.4％。
　　在氮掺杂多孔碳材料Carbon-ZSR的表面原位聚合聚苯胺，制备二元复合材料。当Carbon-ZSR与苯胺的质量比为1:5时，所合成的复合材料具有优秀的电化学性能。Carbon-ZSR/PANI(1:5)在电流密度为1 Ag-1时的比电容为518 Fg-1，且在电流密度升到10 Ag-1时比电容仍然保留421 Fg-1，表明Carbon-ZSR/PANI(1:5)具有高的倍率性能。同时该复合材料的循环寿命很长，控制电流密度为10 Ag-1固定不变，对Carbon-ZSR/PANI(1:5)进行循环充放电测试，当反复充放电1000次后，其比电容保留了第一圈的81%。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 超级电容器

1.3 碳材料

1.4 金属有机骨架材料(MOFs)

1.5 聚苯胺

1.6 本课题的研究目的、意义及内容

2 氮掺杂多孔碳材料的制备

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 结论

3 氮掺杂多孔碳/聚苯胺复合材料的制备

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 结论

4 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：