沥青基掺杂多孔碳材料的制备及电化学性能研究

摘要

超级电容器因其质轻，高的功率密度和优秀的循环稳定性而受到了广泛的关注。众所周知，多孔碳材料(NPCs)由于其大的比表面积、优良的循环稳定性和导电性，目前是制造超级电容器电极的主选材料。但其较低的电容量和能量密度限制了其发展，可通过杂原子掺杂来提高其电化学性能。本文主要使用不同的含氮、硫的前驱体，通过化学合成、溶液浇注以及高温碳化等方法制备了三种材料：ZIF-8基氮掺杂的多孔碳材料(CM-NPCs)、氮掺杂多孔碳材料(NPCs)、共掺杂多孔碳材料(CPCs)，并通过物理和化学方法对其形貌、结构以及电化学性能进行测试。研究工作主要包括以下三方面：　　(1)以类沸石型咪唑骨架(zeolitic imidazolate framework-8，ZIF-8)为骨架材料，石墨化氮化碳(g-C3N4)为牺牲模板，中间相沥青(MP)为二次碳源，通过一步碳化法制备了ZIF-8基功能化氮掺杂多孔碳材料(CM-NPCs)。由于g-C3N4的模板效应改变了ZIF-8的组装形式，多孔碳材料的形态结构可以从规则的多面体形状转变为“花生壳状”和“片层”结构。制备的CM-NPCs含氮量较高(26.17%)，比电容较大(电流密度为1Ag-1时为276Fg-1)。此外，CM-NPCs对称型超级电容比电容高(122Fg-1，电流密度为0.2Ag-1)。功率密度为400Wkg-1时，CM-NPCs提供16.94Whkg-1的能量密度。这表明CM-NPCs可以作为高性能超级电容器的候选材料。　　(2)采用高碳、氮含量的中间相沥青(MP)为碳前驱体，KIT-6为硬模板，通过溶液浇注和高温碳化制备了氮掺杂多孔碳材料(NPCs)。制备的所有NPCs样品结构疏松。其中，NPC-800表面孔洞呈有序分布，且材料主要存在大量介孔和少部分微孔，大量介孔的存在有利于离子的传递，微孔的存在可增加材料的比表面积。制备的NPC-800的比表面积为737.14m2g-1，氮含量为6.66%，在电流密度为2Ag-1时比电容高达237Fg-1，电流密度为10Ag-1时比电容为197Fg-1，电容保持率为83%，对称电极电容保持率高达84%。NPC-800对称电容器的功率密度为1000Wkg?1时，其能量密度可达16.44Whkg?1。因此，NPC-800可以作为超级电容器的候选材料。　　(3)以布敦岩沥青(BRA)为碳源，KIT-6为模板，通过溶液浇注法制备了N、S共掺杂多孔碳材料(CPCs)。实验发现，碳化温度对CPCs的形貌、介孔结构和电化学性能都有明显的影响。CPC-800具有高比表面积(795.96 m2 g-1)、高含氮量(5.75%)和窄孔径(4.98 nm)。在三电极体系中，CPC-800电极的比电容可达211Fg-1(2 A g-1)和165Fg-1(10 A g-1)，比电容保持率为78%。而对称超级电容器的比电容保持率可达80%，其功率密度为1000Wkg-1时，能量密度可达19.11Whkg-1。结果表明，岩沥青基N、S共掺杂多孔碳材料是一种应用前景广阔的超级电容器电极材料。

目录

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2沥青简介

1.2.1中间相沥青

1.2.2布敦岩沥青

1.3超级电容器简介

1.3.1超级电容器的组成与特性

1.3.2超级电容器的分类和工作机理

1.3.3超级电容器的电极材料

1.3.4多孔碳材料

1.3.5超级电容器的应用及前景

1.4本文的选题背景和研究内容

1.4.1选题背景

1.4.2研究内容

第2章 实验部分

2.1.1实验试剂

2.1.2实验仪器

2.2工作电极的制备

2.3材料的结构形貌表征

（1）扫描电子显微镜

（2）透射电子显微镜

（3）X-射线粉末衍射

（4）傅立叶变换红外光谱

（5）拉曼光谱

（6）X-射线光电子能谱

（7）氮气吸附脱附测试

2.4电化学性能测试

第3章 ZIF-8基氮掺杂多孔碳材料的制备与性能研究

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1 G-C3N4的制备

3.2.2 ZIF-8和ZIF-8/g-C3N4的合成

3.2.3 MP溶液的制备

3.2.4 ZIF-8基多孔碳材料的制备

3.3结果与讨论

3.3.1材料物理性能表征

3.3.2材料电化学性能表征

3.4本章小结

第4章 中间相沥青基多孔碳材料的制备及性能研究

4.1前言

4.2实验部分

4.2.1 KIT-6模板的制备

4.2.2 NPCs的制备

4.3结果与讨论

4.3.1 NPCs物理性能分析

4.3.2 NPCs电化学性能分析

4.4本章小结

第5章 布敦岩沥青基多孔碳材料的制备及性能研究

5.1前言

5.2实验部分

5.2.1 KIT-6模板的合成

5.2.2 CPCs的制备

5.3结果与讨论

5.3.1 NPCs物理性能分析

5.3.2 CPCs电化学性能分析

5.4本章小结

结论

参考文献

致谢

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