聚天冬氨酸基氮掺杂碳材料的制备及其在超级电容器中的应用

发布时间：2017-03-18 08:09

  本文关键词：聚天冬氨酸基氮掺杂碳材料的制备及其在超级电容器中的应用，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：超级电容器作为一种独特的电能存储设备,由于其具有高的功率密度,快速充放电,循环寿命长,对环境友好等特点,近年来被人们广泛关注。超级电容器的电化学性能受电极材料的影响较大,因此寻找高性能的电极材料一直是研究的热点。碳材料是研究最早且应用范围最广的电极材料。据报道,掺氮是增加碳材料表面湿润性,提高电导率,提高电容性能最有前景的方法。因此,应用一种环境友好,价格低廉,含氮量高的前驱体,用简单的方法制备氮掺杂的碳材料是非常有意义的。本论文以聚天冬氨酸为原料,采用直接碳化制备氮掺杂的碳材料,研究了温度对其形貌结构及电容性能的影响;用氯化锌活化制备了多孔碳材料,研究了活化剂的用量对形貌结构及电容性能的影响;用Ca(OH)2和NH4Cl混合物一步活化掺氮,制备了具有褶皱形貌的氮掺杂碳材料,氮含量高达13.8%,对所有制备的材料进行了形貌、结构的表征,并考察了它们的电容性能。主要研究的内容和所得结果如下:1、以聚天冬氨酸为原料,采用直接碳化法制备氮掺杂的多孔碳材料。实验发现制备的碳材料的BET面积受温度的影响较大,随着碳化温度从500 oC增到800 oC,所制备的碳样的比表面积从255 m2 g-1增加到1865 m2 g-1,与PASP500相比,PASP700的比表面积增加到420.0%,总的孔体积增加到381.3%,而PASP800的比表面积增加到731.4%,总的孔体积增加到725.0%。然而它的N含量从8.51%下降到3.83%。PASP700电极材料展现出优异的电化学性能,在1 A g-1的电流密度下,比电容可以达到161 F g-1,经过5000次的充/放电循环,比电容仍然保留原来的97%,这说明PASP700电极材料具有优异的循环稳定性能。2、以聚天冬氨酸为原料,采用氯化锌活化法在700oC下制备了氮掺杂的N-APCs材料,考察了氯化锌和聚天冬氨酸比例对材料的影响。结果表明,N-APCs的形貌和结构主要依赖于活性剂的添加量。N-APCs具有大量的微孔,大的比表面积(高达1814 m2 g-1)和高的氮含量。在氯化锌和聚天冬氨酸比例为2:1下制备的活性炭具有最优的电化学性能,在0.5 A g-1的电流密度下比电容高达265 F g-1。在5 A g-1的电流密度下其经过5000次的充/放电循环,电容保持率仍然高达93%。它的优异性能归功于高的比表面积以及最佳的微孔和中孔体积。3、以聚天冬氨酸作为碳源,Ca(OH)2和NH4Cl混合物作为氮源和活化剂,一步法活化掺氮,成功制备了具有褶皱形貌的多孔氮掺杂碳材料,氮含量高达13.8%。N-PASP800电极材料在电流密度为0.5 A g-1时比电容高达231 F g-1,当电流密度高达20 A g-1时,比电容仍然保持有170.2 F g-1,在10 A g-1的电流密度下其经过5000次的充/放电循环,电容保持率仍然高达99%,展现出优异的循环稳定性。
【关键词】：超级电容器 碳材料 氮掺杂 聚天冬氨酸
【学位授予单位】：西北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM53;TQ127.11
【目录】：

• 西北师范大学研究生学位论文作者信息5-9
• 中文摘要9-11
• Abstract11-13
• 第一章 绪论13-33
• 1.1 引言13
• 1.2 超级电容器的概述13-19
• 1.2.1 超级电容器的结构14-15
• 1.2.2 超级电容器的分类15
• 1.2.3 超级电容器的工作机理15-17
• 1.2.3.1 双电层电容器16-17
• 1.2.3.2 赝电容器17
• 1.2.4 超级电容器的优势和特点17-19
• 1.3 碳材料在超级电容器中的应用19-27
• 1.3.1 制备碳材料的原料19-21
• 1.3.2 用于超级电容器的碳材料的分类21-26
• 1.3.2.1 活性炭21-22
• 1.3.2.2 碳纳米管（CNTs）22-23
• 1.3.2.3 纳米碳洋葱23-25
• 1.3.2.4 石墨烯25-26
• 1.3.3 氮掺杂的碳材料26-27
• 1.4 本论文的选题依据、研究思路和主要内容27-29
• 参考文献29-33
• 第二章 直接碳化法制备氮掺杂的多孔碳材料及其电容性能研究33-49
• 2.1 引言33
• 2.2 实验部分33-36
• 2.2.1 实验试剂及仪器33-34
• 2.2.2 氮掺杂多孔碳的制备34
• 2.2.3 电极材料的表征34-35
• 2.2.3.1 扫描电镜形貌表征35
• 2.2.3.2 X射线衍射(XRD)表征35
• 2.2.3.3 氮气吸脱附比表面积(BET)分析35
• 2.2.3.4 元素分析表征35
• 2.2.3.5 拉曼光谱(Raman)分析35
• 2.2.4 电化学性能测试35-36
• 2.3 结果与讨论36-46
• 2.3.1 材料的形貌与结构分析36-40
• 2.3.1.1 材料的SEM分析36-37
• 2.3.1.2 材料的XRD分析37-38
• 2.3.1.3 材料的Raman分析38-39
• 2.3.1.4 材料的氮气吸脱附比表面积(BET)和元素含量分析39-40
• 2.3.2 样品的电化学性能分析40-46
• 2.4 小结46-47
• 参考文献47-49
• 第三章 氯化锌活化法制备聚天冬氨酸基氮掺杂活性炭在超级电容器中的应用49-63
• 3.1 引言49-50
• 3.2 实验部分50-52
• 3.2.1 实验试剂及仪器50
• 3.2.2 N-APCs电极材料的制备50-51
• 3.2.3 N-APCs电极材料的表征51
• 3.2.3.1 扫描电镜形貌表征51
• 3.2.3.2 X射线衍射(XRD)表征51
• 3.2.3.3 氮气吸脱附比表面积(BET)分析51
• 3.2.3.4 元素分析表征51
• 3.2.3.5 拉曼光谱(Raman)分析51
• 3.2.4 N-APCs电化学性能测试51-52
• 3.3 结果与讨论52-60
• 3.3.1 N-APCs材料的制备过程示意图52
• 3.3.2 N-APCs材料的形貌与结构分析52-55
• 3.3.2.1 N-APCs材料的SEM分析52-53
• 3.3.2.2 N-APCs材料的氮气吸脱附比表面积(BET)和元素含量分析53-54
• 3.3.2.3 N-APCs材料的XRD和Raman分析54-55
• 3.3.3 聚天冬氨酸基活性炭的电化学性能分析55-60
• 3.4 小结60-61
• 参考文献61-63
• 第四章 一步活化掺氮法制备聚天冬氨酸基碳材料在超级电容器中的应用63-78
• 4.1 引言63-64
• 4.2 实验部分64-66
• 4.2.1 实验试剂及仪器64
• 4.2.2 氮掺杂的褶皱多孔碳的制备64-65
• 4.2.3 氮掺杂的褶皱多孔碳材料的表征65
• 4.2.3.1 扫描电镜形貌表征65
• 4.2.3.2 X射线衍射(XRD)表征65
• 4.2.3.3 氮气吸脱附比表面积(BET)分析65
• 4.2.3.4 元素分析表征65
• 4.2.3.5 拉曼光谱(Raman)分析65
• 4.2.4 氮掺杂的褶皱多孔碳电化学性能测试65-66
• 4.3 结果与讨论66-75
• 4.3.1 氮掺杂的褶皱多孔碳材料的制备过程示意图66-67
• 4.3.2 氮掺杂的褶皱多孔碳材料的形貌与结构分析67-70
• 4.3.2.1 氮掺杂的褶皱多孔碳材料的SEM分析67
• 4.3.2.2 氮掺杂的褶皱多孔碳材料的XRD分析67-68
• 4.3.2.3 氮掺杂的褶皱多孔碳材料的Raman分析68-69
• 4.3.2.4 氮掺杂的褶皱多孔碳材料的氮气吸脱附比表面积(BET)和元素含量分析69-70
• 4.3.3 氮掺杂的褶皱多孔碳材料的电化学性能分析70-75
• 4.4 小结75-76
• 参考文献76-78
• 硕士期间发表论文78-79
• 致谢79

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本文编号：254177