【摘 要】
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碳基材料,由于其高孔隙率、高化学和物理稳定性、低成本以及可再生性,成为超级电容器中负极材料的最佳选择之一。因此寻找具有高比表面积和合适孔径,且有杂原子掺杂的碳基材料,是目前的研究热点。酞菁(Phthalocyanine,Pc)聚合物是一种工程热固性树脂,具有丰富的氮含量且具有独特的18电子共轭大环体系。本文选用酞菁聚合物作为碳源,添加不同纳米材料与无金属酞菁混合后高温裂解制备用于超级电容器的负极碳
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碳基材料,由于其高孔隙率、高化学和物理稳定性、低成本以及可再生性,成为超级电容器中负极材料的最佳选择之一。因此寻找具有高比表面积和合适孔径,且有杂原子掺杂的碳基材料,是目前的研究热点。酞菁(Phthalocyanine,Pc)聚合物是一种工程热固性树脂,具有丰富的氮含量且具有独特的18电子共轭大环体系。本文选用酞菁聚合物作为碳源,添加不同纳米材料与无金属酞菁混合后高温裂解制备用于超级电容器的负极碳材料,并对其电学性能进行测试。研究不同的纳米材料对高温裂解酞菁聚合物的形貌及性能影响,确定纳米材料与酞菁聚合物的混合比例,主要研究内容如下:(1)将无金属酞菁作为碳源,添加纳米二氧化硅(SiO2)作为硬模板,经过高温裂解后,使用氢氟酸对纳米SiO2进行蚀刻,制备氮自掺杂多孔碳材料(Nitrogen Self-Doped Porous Carbon Materials,NPCM)。发现当添加质量分数为50%的纳米SiO2时,所制备的NPCM具有合适的比表面积(550.5 m~2/g),并且氮含量为2.1at%。同时,基于制备的NPCM电极材料在1 A/g的电流密度下表现出248 F/g的高比容量。(2)将无金属酞菁作为碳源,添加单壁碳纳米管(Single-Walled Carbon Nanotube,SWCNTs),通过简单的溶液混合和机械搅拌来进行复合,高温裂解后制备氮自掺片层多孔碳材料(Self-Nitrogen-Doped Sheet Porous Carbon Materials,SPCM)。由于溶液混合时无金属酞菁与SWCNTs在界面处的π-π相互作用,使得酞菁高温裂解后形成类似石墨烯的层状结构。发现当添加质量分数为10%的SWCNTs时,SPCM作为超级电容器负极材料在1 A/g下显示出228 F/g的高比容量和出色的稳定性(在2000次循环后保持93%的比容量)。(3)将无金属酞菁作为碳源,同时添加纳米SiO2和SWCNTs用作模板,协同作用,经过高温裂解后,使用氢氟酸对纳米SiO2进行蚀刻,由于纳米SiO2和SWCNTs的协同作用,获得了片层多孔氮自掺杂碳材料。发现当三者质量比为Pc/SWCNTs/SiO2=1:0.05:0.5时,复合材料作为超级电容器负极材料在1 A/g下的比容量为278.3 F/g,并且经过5000次循环后,复合材料仍保持88.7%的比容量,展示了优异的稳定性。
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