杂原子掺杂碳材料的制备及电化学性能研究

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碳材料是最为常见的超级电容器电极材料,在超级电容器的应用中起着非常重要的作用。在所有碳材料中,介孔碳材料具有大的比表面积、良好的稳定性和导电性,被认为是超级电容器的理想电极材料。然而碳材料自身存在倍率性能差、比电容值低等问题,目前可以通过在碳材料中引入杂原子的方法来解决。苯并噁嗪由于具有良好的分子设计灵活性,可以实现将杂原子引入到碳骨架中,是一种有前景的碳前驱体。本文使用苯并噁嗪作为碳前驱体,介孔分子筛(SBA-15)作为模板剂,通过硬模板法合成杂原子掺杂有序介孔碳材料,并对其电化学性能进行研究,主要研究内容如下:以硫脲型苯并噁嗪为碳前驱体、SBA-15为模板剂制备硫脲型苯并噁嗪基氮/硫共掺杂碳材料(硫脲-NSCM)。通过FTIR、SEM、TEM、XRD、N2吸/脱附和XPS等测试技术对材料进行表征。测试结果表明碳材料成功复制出模板的蠕虫状有序介孔结构,其比表面积在1179-1407 m2/g之间,平均孔径在7.7-9.3 nm,孔容在2.4-2.9 cm3/g,而且氮、硫元素成功掺杂进入碳材料中。通过CV和GCD测试方法研究样品的电化学性能,探究升温速率、浸渍时间、碳化温度以及电解液对材料性能的影响。由电化学测试结果可知,在0.5 M H2S04电解液中,0.5 A/g电流密度下材料的最高比电容为604 F/g,当电流密度增加到10 A/g时,仍有416 F/g的高比电容,其电容保持率为68.9%,具有良好的倍率性能。在5 A/g电流密度下,经过2000次充放电循环后,其电容保持率为93.6%,说明该材料具有优异的循环稳定性。以含硫苯胺型苯并噁嗪为碳前驱体、SBA-15为模板剂制备苯胺型苯并噁嗪基氮/硫共掺杂碳材料(苯胺-NSCM)。FTIR证实了苯并噁嗪单体的形成;SEM和TEM测试结果表明材料部分复制出模板的蠕虫状有序结构;XRD分析表明材料具有有序的孔道结构;XPS结果表明杂原子成功掺杂进入碳材料中;由N2吸/脱附可知材料的介孔特性,而且具有大的比表面积(751-1171 m2/g)和孔体积(1.5-2.1 cm3/g)、孔径分布均匀(6.39-8.52 nm)。此外,探究升温速率、浸渍时间、碳化温度以及杂原子对材料性能的影响,通过CV和GCD测试技术研究样品的电化学性能。测试结果表明,在0.5 M H2SO4电解液中,当电流密度为0.5 A/g时,材料的比电容为642 F/g,高于未掺杂硫原子的有序介孔碳材料(苯胺-NCM为481 F/g)。当电流密度为10 A/g时,仍有436 F/g的高比电容,其电容保持率为67.9%,表明该材料具有优异的倍率性能。在5 A/g电流密度下,经过2000次充放电循环后,其电容保持率为95.2%,具有优异的循环稳定性。
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