煤沥青基多孔碳纳米材料的可控制备及其电化学性能研究

摘要

多孔活性炭由于其优越的电导性，制备成本低廉，对环境无污染等一系列特点，被广泛用作超级电容器的电极材料，尤其是在双电层超级电容器电极材料应用上具有很好的前景。然而，使用普通的活性炭材料作为双电层电容器的电极材料表现出较低的电容值。特别是在较大的电流密度下，导致了较低的能量密度，这些缺点限制了它们的实际使用。因此，设计一种简单的路线合成具有高电容的多孔碳是非常值得期待的。 以中温煤沥青作为碳源，KOH为活化剂以提高材料的比表面积，活性分子尿素不仅作为氮源和发泡剂，还可以在500℃氮气氛围下生成g-C3N4。提供了一种高效率合成氮掺杂多孔碳纳米片（N-CNS）的方法。实验结果表明在600℃低温活化条件下，得到的氮掺杂多孔碳纳米片具有较高的比表面积1181m2g-1,较高的氮含量7.06%，在6M KOH溶液中，表现出优良的电容性能（210F g-10.1A g-1）和良好的循环稳定性。另外由氮掺杂多孔碳纳米片组装成的超级电容器，在6M KOH电解液中，电流密度为0.1A g-1时它的能量密度为7.15Wh kg-1，经过5000次循环后，表现出高的循环稳定性，电容保留率为91.2%。 为了进一步提高电极材料的导电性能，采用中温煤沥青为碳源，以三聚氰胺海绵为载体，吸附煤沥青和KOH，然后进行一系列的碳化和活化等工艺，最终得到三维氮掺杂多孔碳纳米材料。在本文中，我们不断优化制备工艺，并且确定出低成本，操作容易的方法来将煤沥青和KOH挂载在三聚氰胺海绵上，在氮气氛围下对三聚氰胺海绵复合物进行碳化，活化得到三维氮掺杂多孔碳纳米材料，并且对其进行电化学性能的测试。结果表明：一步法制备得到的电极材料，在6M KOH水性电解液中，比电流为1A g-1时，比电容达到317.5F g-1。比电流为0.1A g-1时，比电容达到417.75F g-1。

目录

第一个书签之前

1. 绪论

1.1 引言

1.2超级电容器概述

1.2.1 超级电容器的发展过程

1.2.2 超级电容器的结构及类别

1.2.3 超级电容器的应用方向

1.3超级电容器的电极材料

1.3.1 碳材料

1.3.2 过渡金属氧化物

1.3.3 导电聚合物

1.4 双电层电容器的碳电极材料类型

1.4.1 活性炭粉末

1.4.2 石墨烯

1.4.3 碳纳米管

1.5 氮掺杂多孔碳

1.6 本论文的研究意义及主要工作

2. 实验原理与方法

2.1 实验主要仪器及药品

2.1.1 实验仪器

2.1.2 实验药品

2.1.3 电极材料的主要辅佐材料

2.2 电极材料的表征手段

2.2.1 场发射扫描电子显微镜（FSEM）

2.2.2 物相分析（XRD）

2.2.3 傅里叶红外光谱测试（FTIR）

2.2.4 X射线光电子能谱分析(XPS)

2.2.5 拉曼光谱

2.2.6 N2吸附脱附等温线（BET）分析和孔径分析

2.3电极材料的电化学测试

2.3.1 循环伏安法

2.3.2 恒流充放电

2.3.3 电化学阻抗谱分析

2.3.4 循环寿命测试

3. 氮掺杂多孔碳纳米片的制备及电化学性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1尿素发泡法制备氮掺杂多孔碳

3.2.2 材料的性能表征

3.3结果与讨论

3.3.1 结构和形貌分析

3.3.2 X射线光电子能谱分析

3.3.3 X射线粉末衍射分析

3.3.4 孔结构及孔径分布分析

3.3.5 电化学性能

3.4结论

4. 氮掺杂多孔泡沫炭的制备及电化学性能的研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 分步法

4.2.2 一步法

4.3 结果与讨论

4.3.1 样品宏观结构的分析

4.3.2 微观结构和形貌分析

4.3.3 氮气吸附脱附分析

4.3.4 电化学性能分析

4.4结论

5. 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文情况

致谢