富氮分级孔炭材料的制备与电容性能研究
超级电容器，作为一种新型能源存储器件，有着容量大、功率密度高、循环寿命长、充放电效率高等优点。炭材料具有高比表面、低成本、优异的导电性、良好的化学稳定性等优势，是商品化超级电容器最常用的电极材料。本文以蔗糖和酚醛树脂为前驱体，以含氮有机酸盐同时作为氮源、硬模板及活化剂，制备得到富氮高比表面分级孔炭材料，研究了碳化温度对炭材料的结构和电化学电容性能的影响规律，并探讨了含氮有机酸盐对炭材料的催石墨化机理。 以蔗糖为碳源，乙二胺四乙酸二钠锌盐为氮源、硬模板、活化剂，两者液相混合，冷冻干燥，得到蔗糖/乙二胺四乙酸二钠锌盐的均匀复合物，在惰性气氛下高温碳化(700-950℃)、洗涤制备得到蔗糖基富氮分级孔炭材料。探讨了其成孔机理，以及碳化温度对其氮含量、孔结构和电容性能的影响。随碳化温度升高，蔗糖基富氮分级孔炭材料的比表面积增大而氮含量降低，在700℃制备的样品具有最高的氮含量(5.79％)，大的准电容贡献使其在6mol L-1KOH碱性电解液中比电容值达到283F g-1;碳化温度950℃制备的样品的比表面高达2160m2g-1，发达的分级孔结构使其表现出极为优异的倍率性能，在300A g-1电流密度下比电容仍可保持84.5％。 以酚醛树脂为碳源，乙二胺四乙酸二钠锌盐为氮源、硬模板、活化剂，两者固相混合，球磨得到酚醛树脂/乙二胺四乙酸二钠锌盐复合物，惰性气氛下高温碳化(700-1200℃)，制备得到酚醛树脂基富氮分级孔炭材料，研究了碳化温度对制备的炭材料的氮含量、孔结构和石墨化的影响，分别测试了其在水系和有机电解液中的电容性能。随碳化温度的升高，比表面和孔容先增大后减小，碳化温度800℃制备的炭材料的孔结构最发达，比表面和孔容分别为2484m2g-1和1.546cm3g-1，温度进一步升高炭材料的石墨化程度愈加明显，在1200℃时石墨化程度最高，IG/ID为1.72。在水系电解液中，低温制备的样品兼有高的比表面和氮含量，最高比电容为270F g-1。在有机电解液中，高温下制备的样品具有较高的石墨化程度，表现出优异的倍率性能。 上述工作表明，乙二胺四乙酸二钠锌盐高温裂解产生纳米氧化锌和碳酸钠，不仅充当了模板的作用还对炭有催石墨化功能。为了探明催石墨化的机制，制备了氧化锌/酚醛树脂炭和碳酸钠/酚醛树脂炭两种复合材料，分别探讨氧化锌和碳酸钠对炭材料的催石墨化效果。经对比发现，氧化锌对酚醛树脂的催石墨化作用远低于碳酸钠对酚醛树脂炭的催石墨化作用，在1400℃高温下碳化碳酸钠/酚醛树脂制备的炭材料的IG/ID为1.43，而氧化锌/酚醛树脂基炭只有0.78。进一步研究确定在1000℃碳酸钠即可对酚醛树脂实现一定程度的催石墨化。
超级电容器;电极材料;分级孔炭;制备工艺;电容性能
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
徐斌
2019
中文
TM53;TM242:TM205.1
2019-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）