氮掺杂中空碳球和多元共掺杂碳微球材料的制备与电化学性能研究
本文在具有球形形貌的碳材料的研究基础上，围绕对材料进行掺杂，孔隙扩展，形貌控制和提高石墨化程度等方面，设计制备了一种碳层厚度可控并且模板可回收利用的氮掺杂中空碳球(NHCSs)材料和一种多元共掺杂的多孔碳微球(PCMSs)_材料，并且通过改变实验条件和参数，研究了材料的形貌、孔隙结构、掺杂含量和石墨化程度与它们的电化学性能之间的关系。主要的研究内容和结果如下： 1）采用Cu2O微球作为硬模板剂，通过原位聚合间氨基苯酚甲醛树脂，然后依次经过碳化和模板蚀刻，合成了具有一定石墨化程度NHCSs。通过调节前驱体与硬模板剂的比例可以很好地控制材料碳层的厚度。所制备的NHCSs具有中空的球形形态，可控的壳厚度，独特的孔隙率和较高含量的氮掺杂特点。电化学测试表明，在1000℃碳化制得的具有最薄碳层厚度（25nm）的样品，表现出最佳的电化学性能（在0.5A/g电流密度下，比电容为263.6F/g，相应的体积比电容为191.3F/cm3），优异的倍率性能和出色的循环稳定性（在5A/g的电流密度下，进行1000次的循环充放电后，电容的保留率达到了90.2％）。此外，在模板蚀刻后，剩余的反应液还可以通过过滤和结晶的方法重新制备出CuCl2，而CuCl2又可以进一步制备出新的Cu2O微球，从而达到模板剂的反复回收利用的目的。 2）所制备的NHCSs经过KOH活化，使材料产生了丰富的孔隙结构，这进一步增加了材料的比表面积和孔体积，由此大大改善了NHCSs的电化学性能。当电流密度为0.5A/g时，活化后的S1-700-K、S2-850-K和S3-1000-K的比电容量分别为261.7F/g，283.6F/g和327.4F/g；在5A/g的电流密度下，进行连续1000次循环充放电后，此三个样品的比电容量的保持率分别达到了90.42%，90.48%和90.60%，显示了材料优异的循环稳定性能。 3）以葡萄糖为碳前驱体，氟硼酸铵为掺杂剂，通过采用水热-碳化的方法，成功制备了一种PCMSs材料。通过控制掺杂剂的用量以及不同的碳化温度，我们发现在掺杂剂用量最多且碳化温度为900℃制备得到的样品PCMSs-3-900具有最高的比电容量，在0.5A/g的电流密度下，其比电容量达到了257.6F/g，经过进一步分析，表明这是由于杂原子（B、F、N）引入碳材料中增加了材料的赝电容性，同时在Fe3+的催化下，碳化温度的升高有利于碳材料的石墨化。另外，通过调节表面活性剂PVP的用量，探索了其对材料形貌的影响，结果发现PVP的存在与否不会明显影响碳球的形成，但大量的PVP加入后使得材料的形貌产生严重的破坏。因此，这种多元共掺PCMSs材料有望成为超级电容器应用领域的一个新热点，在能源领域有着非常巨大的研究和应用前景。
超级电容器;中空碳球;氮掺杂;KOH活化;石墨化;共掺杂;电化学性能
上海应用技术大学
硕士
应用化学
沈绍典
2018
中文
TM53
2021-11-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）