超级电容器,即电化学电容器,在能量存储和转换系统中起着重要的作用。目前已经出现许多合适的电极材料,其中碳质材料似乎最适合超级电容器应用,但碳基材料的电化学性能受到自身性质的限制。为了实现超出碳质材料限制的性能,提出了杂原子掺杂改性碳质材料的策略。使用氮原子掺杂碳质材料会导致其物理、化学和电化学性质发生变化。此外,氮掺杂还可以通过改变碳材料晶体缺陷增强其化学稳定性、表面极性、电导率和电子给体性质。本文通过直接热解含氮前体聚合物的方法获得氮掺杂的碳质材料,并通过前体聚合物的控制合成调节氮掺杂碳质材料的电化学性能。具体工作如下:1.以2,6-二氨基吡啶和甲醛为单体在水溶液中发生缩聚反应形成聚三嗪纳米球,并通过调节反应物配比、反应温度和反应物浓度等条件控制前体聚合物聚三嗪的形貌、结构和氮含量,在氮气氛围下热解活化得到高氮掺杂多孔碳球(C/N-PNSs)。这种2,6-二氨基吡啶和甲醛在水溶液中发生缩聚反应获得聚合物前体的特点是方法简单且无污染。此外,在聚合物前体的合成过程中,2,6-二氨基吡啶与甲醛的摩尔比和总单体浓度的变化能够将具有均匀几何球形的聚三嗪纳米球尺寸从102nm调整到3900 nm。热解后,形貌仍然保持完整的C/N-PNSs平均氮含量为8.7-10.4 wt%,BET比表面积为627.8-924.4 m2/g。这些特征对C/N-PNSs作为超级电容器电极材料的应用是非常有利的,并且操作方法简单易使用,为超级电容器电极材料的开发提供了一种新的可能。2.通过三电极体系和双电极体系分别测试C/N-PNSs作为超级电容器电极的电化学性能,结果显示其具有出色的循环能力和高比电容,在6 MKOH中以1A/g电流密度进行电化学测试获得高达424 F/g的单电极电容。同时为了探究2,6-二氨基吡啶中吡啶单元在其中的作用,使用间苯二胺代替2,6-二氨基吡啶在相同条件下与甲醛发生缩聚反应生成新的氮掺杂碳材料(NPC),表征NPC的形貌、杂原子含量和电化学性能了解吡啶单元在C/N-PNSs中的作用。NPC的一系列表征说明2,6-二氨基吡啶中的吡啶单元在C/N-PNSs的高氮含量、结构稳定性和优异的电化学性能等特征上具有重大贡献。3.C/N-PNSs的比电容随电流密度的增加会有很大程度的下降,其倍率性能较差,为了进一步提高C/N-PNSs电化学性能,引入了一种简单明了的策略,通过包裹碳化的方法合成氮掺杂的碳纳米笼(ZIF-8@C/N-x)并可以控制ZIF-8@C/N-x的壳厚度。含锌的沸石咪唑酸酯骨架(ZIF-8)核通过简单的表面合成被包裹在富氮的聚三嗪前体中,惰性氛围下热解活化得到电化学性能更稳定的ZIF-8@C/N-x。ZIF-8@C/N-x的聚合物前体在氮气氛围下高温热解,使锌通过聚合物外壳升华,从而形成多孔结构。证实了 ZIF-8@C/N-x的电化学性能与其微孔/中孔之间的系统相关性。此外,还证明了 ZIF-8@C/N-x作为具有高比电容和能量密度的超级电容器电极的电化学性能,长期循环稳定性(在10000次循环后92%的电容保持率),较好的倍率性能。通过优化电极材料的孔隙结构、氮含量和形貌,进一步提高了基于碳质材料超级电容器的电化学性能。图[32]表[9]参[137]