氮掺杂多孔碳材料的制备及其在超级电容器中的应用

摘要

氮掺杂多孔碳材料现已成为碳材料领域的研究热点之一，氮掺杂进入碳基体后可形成吡啶-氮、吡咯-氮、石墨-氮和吡啶氧化物等含氮官能团，可以调节碳材料的表面化学活性，提升材料的导电性及电化学性能。氮掺杂多孔碳材料用作超级电容器电极材料还可以产生赝电容，并提高电极的浸润性，使材料的比电容及倍率性能得到大幅度提高。本论文分别以廉价的柠檬酸铵以及柠檬酸单铵/聚N-(2-氨基乙基)甲基丙烯酰胺(PAEMA)混合物为前驱体，制备了两种氮掺杂多孔碳材料，并研究了它们用作超级电容器电极材料的电化学性能。主要研究工作包括以下两方面：
　　(1)柠檬酸铵基氮掺杂多孔碳材料的制备及其电容性能研究。采用柠檬酸铵为单一前驱体，采用热解活化法制备得到氮掺杂多孔碳材料(ACAs)。在最佳条件下(热解温度600℃，KOH/热解产物质量比2:1，活化温度800℃)制备的氮掺杂多孔碳材料(ACA-6-2-8)具有明显的层状结构，同时还具有很高的比表面积(2660 m2 g?1)和总孔容(1.40 cm3 g?1)以及较高的氮含量(1.37 at.％N)。ACA-6-2-8电极在6 M KOH电解液中具有较高的比电容以及优异的倍率性能，在电流密度为1 A g?1，其比电容为368 F g?1；当电流密度达到100 A g?1时，其比电容仍为296 F g?1，电容保持率高达80.4%。采用1 M Na2SO4溶液为电解质，将ACA-6-2-8电极组装成对称超级电容器。发现在功率密度为923 W kg–1时，其能量密度达到25.5Whkg?1，在2 A g?1的电流密度下循环10000次后，其比电容仅下降了约4%，表现出优良的循环稳定性。
　　(2)聚合物基氮掺杂多孔碳材料的制备及其电容性能研究。以柠檬酸单铵和聚 N-(2-氨基乙基)甲基丙烯酰胺(PAEMA)混合物为前驱体，在 BaCO3存在下经热解直接制备了氮掺杂多孔碳材料(APC-800-2)。材料的比表面积为690 cm2 g–1，总孔容为0.53cm3g–1，表面氮含量为5.07at.%。APC-800-2电极在0.5 A g–1电流密度下，质量电容为207F g–1，还具有与质量电容相当的体积电容(201Fcm–3)。在2A g–1电流密度下，经过10000次充放电循环后，电容保持率高达95%，循环稳定性优良。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 氮掺杂多孔碳材料的概述

1.2 氮掺杂多孔碳材料的制备方法

1.2.1 后处理法

1.2.2 原位合成法

1.3 氮掺杂多孔碳材料在储能领域中的应用

1.3.1 锂离子电池

1.3.2 储存氢气

1.3.3 超级电容器

1.4 本论文研究的目的、意义及主要内容

第2章 柠檬酸铵基氮掺杂多孔碳的制备及其电容性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 原料及试剂

2.2.2 柠檬酸铵基氮掺杂多孔碳(ACAs)的制备

2.2.3 ACAs材料的表征

2.2.4 电化学测试

2.3 结果与讨论

2.3.1 柠檬酸铵基氮掺杂多孔碳(ACAs)的制备

2.3.2 热解温度对ACAs比表面积和电容性能的影响

2.3.3 KOH用量对ACAs比表面积和电容性能的影响

2.3.4 活化温度对ACAs结构组成和电容性能的影响

2.4 本章小结

第3章 聚合物基氮掺杂多孔碳的制备及其电容性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 原料及试剂

3.2.2 N-(2-氨基乙基)甲基丙烯酰胺(AEMA)的合成

3.2.3 聚合物PAEMA的合成

3.2.4 聚合物基氮掺杂多孔碳(APCs)的制备

3.2.5 电化学测试

3.3 结果与讨论

3.3.1 聚合物PAEMA的合成与表征

3.3.2 聚合物基氮掺杂多孔碳(APCs)的制备与表征

3.3.3 APC-800-2电容性能的研究

3.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 实验试剂及仪器

附录B 材料的形貌和结构表征方法

攻读硕士期间发表论文情况