壳聚糖基杂原子掺杂分级多孔炭材料制备及其电化学性能研究
科技的发展和进步使得电子产品具有了越来越广泛的应用，这对于储能装置的要求也越来越高。超级电容器由于其响应速度快、工作范围广以及使用寿命长等特点而被广泛应用于各种电子设备中。然而目前商业用炭基超级电容器电极材料发展受到了容量有限和成本高昂的限制，因此开发高性能低成本的生物质衍生超级电容器电极材料日益成为研究热点。壳聚糖衍生自螃蟹、虾壳和藻类等生物，是一种可再生的天然高分子材料。其分子链上具有丰富的含氮基团，是一种用于开发高性能超级电容器电极理想的原材料。 本文以可再生生物质壳聚糖为原材料，通过精心的过程设计进行杂原子掺杂并构建分级多孔结构，制备了高性能超级电容器电极材料。分级多孔结构中的微孔提供了高的比表面积以储存更多的电荷，而介孔和大孔则分别作为电解质离子的快速扩散通道和缓冲储存场所。杂原子可以改善电极材料润湿性，并可以通过参与氧化还原反应引入赝电容储存更多的电荷。在二者的协同作用下，所制备的杂原子掺杂分级多孔炭材料表现出了优异的电化学性能和理想的应用前景。 首先，以壳聚糖为碳源和原位掺杂氮源，通过冷冻干燥和高温热处理制备了壳聚糖基N掺杂炭材料，并探究热处理温度变化对于N掺杂炭形貌结构和电化学性能的影响。电化学测试结果表明当热处理温度为800℃时的N掺杂炭材料具有高N含量(6.22％)，在0.5Ag-1的测试条件下表现出了171Fg-1的比容量，在10000次充放电过程中表现出理想的循环稳定性。 为改善炭材料的孔结构、提高其电化学性能，引入Zn离子与壳聚糖进行螯合并通过高温热处理制备了N掺杂分级多孔炭材料。炭材料的形貌结构以及性能会受到热处理温度和Zn-壳聚糖比例的影响，研究结果表明当热处理温度为1000℃、Zn-壳聚糖比例为5时的样品NPHC-5表现出了最高的比表面积，达932m2g-1，其孔容为0.76m3g-1。NPHC-5在0.5Ag-1的测试条件下具有230Fg-1的高比电容。电化学测试结果表明其表现出优异的倍率性能和良好的循环稳定性。 最后，为了进一步提升电极材料实际应用的潜力，通过进一步水热处理掺杂B处理制备了N，B共掺杂分级多孔炭材料。研究结果表明水热B掺杂不仅进一步增强了电极材料在电解质溶液中的润湿性，杂原子还通过参与氧化还原反应引入赝电容提高了电极材料的电荷储存能力。通过组装对称电容器测试其实际应用能力，B掺杂比例为4的样品的在功率密度为123Wkg-1时的能量密度可达9.6Whkg-1，在长循环测试中也表现出稳定的容量保持率，具有理想的前景。
壳聚糖;多孔炭材料;超级电容器;杂原子掺杂;分级结构
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
陈晓红
2021
中文
TM242
2021-09-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）