基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳材料的制备及电化学性能研究

摘要

随着化石能源危机和环境污染问题日趋严重，超级电容器作为一种新型储能元件，具有长的循环寿命、高的安全性能和较宽的使用温度范围等优势而被广泛应用。电极材料对超级电容器的电化学性能起着关键性作用，是近期超级电容器的研究热点。电极材料主要包括碳材料、导电聚合物和金属氧化物等。
　　金属有机框架化合物(MOFs)作为一种新型多功能的晶体状多孔材料，有较大比表面积、可控孔道结构等优势，在催化剂、传感器和发光材料等研究领域应用广泛。本论文通过静置法合成ZIF-8为前驱体，直接碳化后得到基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳材料，再通过原位生长法制备氮掺杂多孔碳复合材料，将氮掺杂多孔碳材料及其复合物作为电极材料，组装对称超级电容器，对其实际应用价值进行评价。主要研究内容如下:
　　通过直接碳化法来合成基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳材料(HPNCs)，且较为系统地研究了不同Zn2+源对HPNCs的形貌结构和电化学性能的影响，可知由醋酸锌制备的氮掺杂多孔碳材料(HPNCs-C8)比由硝酸锌得到的氮掺杂多孔碳材料(HPNCs-N8)做电极材料所测的电化学性能更好一些。HPNCs-C8在0.25A/g电流密度下的比电容为300F/g，并表现出较好的倍率性能。所组装成的HPNCs-C8//HPNCs-C8对称超级电容器在0-1.8V电压窗口下，当功率密度为0.79kW/kg时，能量密度是24.8Wh/kg。
　　为了降低HPNCs的团聚现象，我们从天然荷花粉中得到中空交联蜂巢状的碳球来作为碳源和模版，在碳球表面对HPNCs进行原位生长，从而制备出基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳材料与3D中空交联碳球复合材料(HPNCs/CS)。HPNCs/CS在1A/g电流密度下的比电容是280F/g，相对于单一材料(HPNCs)展现出较高的倍率性能和循环稳定性能。所组装成的HPNCs/CS//HPNCs/CS对称超级电容器在0-1.8V电压窗口下，当功率密度为0.45kW/kg时，能量密度为16.2Wh/kg。
　　将还原氧化石墨替代中空交联碳球与HPNCs进行复合，得到基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳材料与还原氧化石墨复合材料(HPNCs/rGO)，系统地探究了碳化温度、加入的石墨量对材料形貌和电化学性能的影响。通过相应测试可知，在加入8mg GO，800℃碳化时所得的复合材料表现出更好的电化学性能，并且相对HPNCs/CS提升了能量密度。HPNCs/rGO在0.5A/g的电流密度下比电容为298F/g，组装成对称超级电容器，在0-1.8V的电压窗口下，当功率密度为0.475kW/kg时，能量密度达到18.0Wh/kg。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2超级电容器的概述

1．2．1超级电容器的性能特点与结构

1．2．2超级电容器的分类

1．2．3超级电容器的发展与应用

1．3电极材料

1．3．1碳材料

1．3．2金属氧化物

1．3．3导电聚合物

1．3．4复合或混合型材料

1．4金属有机框架化合物(MOFs)的概述及其研究进展

1．4．1金属有机框架化合物(MOFs)的概述

1．4．2金属有机框架化合物(MOFs)的发展

1．5本论文的选题背景及主要研究内容

1．5．1本论文的选题背景

1．5．2本论文的主要研究内容

第2章实验材料及表征方法

2．1实验试剂

2．2实验仪器

2．3材料表征与测试方法

2．3．1材料的微观结构表征

2．3．2电化学测试方法

2．4本章小结

第3章基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳材料的制备及电化学性能研究

3．1引言

3．2实验部分

3．2．3氮掺杂多孔碳材料(HPNCs-N)的制备

3．2．4电极制备及对称电容器组装

3．3结果与讨论

3．3．1氮掺杂多孔碳材料(HPNCs)的表征

3．3．2 HPNCs-C8的电化学性能研究

3．3．3 HPNCs-C8／／HPNCs-C8对称电容器的组装及性能分析

3．4本章小结

第4章基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳与3D中空交联碳球复合材料的制备及电化学性能研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1 ZIF-8／C的制备

4．2．2氮掺杂多孔碳与3D中空交联碳球复合材料(HPNCs／CS)的制备

4．2．3电极制备及对称电容器的组装

4．3结果与讨论

4．3．1 HPNCs／CS的表征

4．3．2电化学性能研究

4．4本章小结

第5章基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳与还原氧化石墨复合材料的制备及电化学性能研究

5．1引言

5．2实验部分

5．2．2氮掺杂多孔碳与还原氧化石墨复合材料(HPNCs／rGO)的制备

5．2．3电极制备及对称电容器的组装

5．3结果与讨论

5．3．1 HPNCs／rGO的表征

5．3．2 HPNCs-800和HPNCs／rGO-800的电化学性能研究

5．4本章小结

结论

参考文献

读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢