生物质基合成介孔碳材料及其电化学应用

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介孔碳材料因其具有大的比表面积、可调控的孔结构参数以及易修饰的界面特性,在催化反应、能源的储存、药物载体等领域备受关注。作为电极材料,也在电化学领域得到广泛的关注。但其用作电极材料时仍存在润湿性差以及活性位点少的问题,导致电容器的电容、倍率性能与循环寿命不佳。杂原子的掺入会改变介孔碳材料作为电极材料的问题;掺入氮原子是一种能够提高碳材料润湿性能的常见策略,金属原子的掺入会提高材料的活性位点。利用SBA-16和嵌段共聚物为模板,选用合适的前驱体分子和杂原子将嵌段共聚物进行交联,再除去模板剂,可以获得杂原子掺杂介孔碳材料。通过控制原料的量可以调控所得介孔碳材料的杂原子含量以及形态。并且,借助超声手段又可以实现调控杂原子含量和孔隙结构。此外,通过不同相互作用力探究合成介孔碳最佳方法。基于此思路,本论文设计并合成了不同形态结构的介孔碳材料。同时系统地研究了介孔碳材料的电化学性能与其结构,元素形态含量之间的关系。研究结果如下:(1)通过改变钼酸铵的质量和焙烧温度有效调控孔隙结构和杂原子含量,以达到提高电容、改善倍率性能和循环寿命的目的。结果表明,随着淀粉与钼酸铵质量比的增加,其比表面积和杂原子含量都表现出先增大后减小的趋势,说明钼酸铵量较高时会发生团聚现象,不利于进入孔道。随着焙烧温度的升高,其比表面积和杂原子含量都表现出先增大后减小,说明温度过高时,碳材料发生坍塌孔隙结构破坏严重。电化学评价结果表明,随着比表面积和杂原子含量的增加,其比电容也递增,当淀粉与钼酸铵质量比为3和焙烧温度为800℃时制备碳材料NMC/Mo-3-800具有最适合的比表面积(240.164 m~2/g)、氮元素(3.18 at%)以及钼元素(6.65 at%),其具有最高的比电容(即在0.5 A·g-1电流密度下,比电容为356 F·g-1),并且在电流密度为20 A·g-1进行循环充放电5000次,仍有71%的电容保持率,表现出较好的循环稳定性。(2)通过改变超声的功率和时间有效调控孔隙结构和杂原子含量,以达到提高电容、增强倍率性能和循环寿命的效果。结果表明,随着超声功率和时间的增加,比表面积和杂原子含量先增大后减小,表明超声对前驱体、杂原子与嵌段共聚物的交联有着较强的影响,在一定的超声功率和时间下会增强其相互作用力。电化学评价结果表明,随着比表面积和杂原子含量的增加,其比电容也随着递增,当超声功率为1 KW和超声时间为10 min时制备碳材料NMC/Fe/Co-1-10具有最适合的比表面积(352.72 m~2g-1)、氮元素(12.91 at%)、铁元素(1.79 at%)以及钴元素(1.41 at%),其具有最高的比电容(即在0.5 A·g-1电流密度下,比电容为413 F·g-1),并且在电流密度为10 A·g-1进行循环充放电5000次,仍有86%的电容保持率,表现出优异的循环稳定性。(3)通过改变提供不同键能的模板剂的和同种键能下不同卤素原子有效调控孔隙结构和氮元素含量,以提高电容、优化倍率性能和循环寿命。结果表明,在氢键和离子键且离子键由氯离子提供的作用下,其比表面积和含氮量达到最高。电化学评价表明,随着比表面积和含氮量的增加,其比电容也随着递增,在氢键和离子键(氯离子提供离子键)制备碳材料Cl-HINMC具有较高的比表面积(606.10 m~2g-1)和含氮量(2.32 at%),其表现出最高的比电容(即在0.5 A·g-1电流密度下,比电容为313.2 F·g-1),并且在电流密度为20 A·g-1进行循环充放电5000次,仍有84.36%的电容保持率,表现出良好的循环稳定性。
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