氮掺杂多孔碳的制备及其电化学性能研究

来源 :哈尔滨理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hunan341
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
壳聚糖作为分布广泛、价格低廉生物质,其自身具有丰富的氨基基团和羟基基团,是制备电化学性能优异的氮掺杂多孔碳材料的优质候选材料,而目前对以壳聚糖为原料制备氮掺杂多孔碳的报道主要集中在碳化方式、活化方式、掺杂方式对其电化学性能的影响,而对材料中氮元素含量及化学状态对电化学性能影响的讨论较少。本文以探究氮元素含量及化学状态对氮掺杂多孔碳电化学性能的影响为研究目标,讨论了不同制备工艺对氮掺杂碳的形貌、孔结构、元素含量及化学状态的影响;同时利用壳聚糖作为碳源和氮源、尿素作为外引氮源,实现了对氮掺杂碳材料中氮含量及其化学态的调控。本研究的主要结果如下:(1)以壳聚糖为原料,采用不同工艺制备氮掺杂碳材料,分析了直接碳化法、预碳化-高温活化法、水热预碳化-高温活化法这三种方法制备的氮掺杂碳材料的形貌、孔隙结构、元素组成及存在形式和电化学性能。发现水热预碳化-高温活化法所制备的氮掺杂碳材料H-NPC(Hydrothemal pretreatment of nitrogen doped proous carbon)相较于另外两种工艺制备的氮掺杂碳NC(Nitrogen doped carbon)、P-NPC(Pre-carbonized nitrogen doped porous carbon)拥有更高比表面积(1504.55 m~2·g-1),同时改材料具有丰富的微孔结构(微孔孔容占比91.1%),并且在电流密度为1 A·g-1时,H-NPC质量比电容达到了229.0 F·g-1。XPS结果表明预碳化-高温活化法一定程度上提升了氮掺杂碳材料中的氮元素含量H-NPC(8.96 at%N),此外水热预碳化过程对氮掺杂碳中石墨型氮(N-Q)的形成起到一定的抑制作用。(2)在三电极体系中测试了不同工艺制备的氮掺杂碳的电化学性能,其中采用水热预碳化-高温活化法所制备的H-NPC材料表现出了优异的电化学性能。在1 A·g-1电流密度下,所制备氮掺杂碳H-NPC比电容达到了229.0 F·g-1;而经过1-5 A·g-1电流密度测试时,电容保持率为81.3%;其电荷传递电阻和溶液内阻仅为0.63Ω、0.27Ω。H-NPC优异的电化学性能归因于水热预碳化赋予了材料较高的N元素掺杂量。(3)采用水热预碳化-高温活化法,通过调节尿素与壳聚糖比例,实现了系列氮掺杂碳材料的制备,且实现了氮元素含量及其化学态的调控。系列氮掺杂碳材料具有接近的比表面积和孔结构,这为讨论N元素掺杂量及存在形式对电化学影响提供了可能。XPS结果表明,所制备氮掺杂碳材料中N元素含量可达到10.54 at%。随着尿素与壳聚糖比例的升高,电化学活性较弱的N-Q化学态的N元素的含量显著降低(降低到6%),而电化学活性较高的N-5化学态的N元素的含量逐渐增加达到了(62.1%)。(4)利用三电极体系对系列氮掺杂碳进行了的电化学性能的测试,其中当尿素与壳聚糖比例为7.5时所制备的H-NPC7.5样品电化学性能最佳,表现为在1 A g-1的电流密度下质量比电容为303.3 F·g-1,在5 m V/s的扫描速率下的质量比电容为292.6 F g-1,溶液电阻和电荷传递电阻分别为0.49Ω和0.17Ω。H-NPC7.5具有优异电化学性能归因于其适中的N掺杂量以及N-5化学态的氮元素相对含量提高且N-Q化学态的氮元素相对含量降低。
其他文献
近来,SAC钎料凭借优异的综合性能得到了广泛的关注,但高昂的成本限制了其大范围的工业应用,相比之下Sn-0.7Cu不仅价格低廉,而且具有良好的强度以及导电性,因此备受关注。然而,Sn-0.7Cu存在熔点较高、机械性能较差以及可靠性较低等问题,降低了其适用性。本文通过合金化和颗粒强化的方式分别制备了Sn-0.7Cu-xIn以及Sn-0.7Cu-xMo钎料,研究了增强相对钎料性能的影响。为了分析研究焊
学位
以35 m简支装配式钢混叠合梁作为工程背景,构建材料-造价方程作为优化目标函数,以截面板件宽厚比、塑性抗弯承载力以及考虑刚度折减的挠度效应作为约束条件,对截面几何参数进行优化分析研究。
期刊
利用以太阳能作为驱动力的光催化技术将CO2转化成具有高附加值的燃料和化学品是解决当前能源和环境问题的理想途径之一。因此,亟待发展具有高CO2还原性能的新型光催化体系。TiO2材料作为一种典型的半导体光催化材料被广泛研究,但其仍具有光生电荷分离差,光利用率低、缺乏催化位点等缺点。本论文拟制备超薄二维TiO2纳米片并与二维有机半导体材料构建维度匹配的异质结光催化材料以促进光生电荷分离、拓展TiO2在可
学位
电力能源已成为世界主要消费能源。电力的强烈需求刺激了发电,存储,分配和管理方面的持续技术发展。目前,第三代固态功率半导体器件的出现有望大大提高电能的利用率,减少输电损耗。并且在同样的面积内能调控更大电力,有助于器件的小型化发展。但高集成度所带来的发热问题制约了传统的锡(Sn)基焊料的应用,无法承受未来可能的苛刻工作环境。因此,高可靠性的芯片粘接材料亟待发展。铜颗粒烧结连接材料凭借低廉的价格、出色的
学位
锂硫电池的高比容量、高能量密度对新能源电池的应用提供了新的助力,由于硫导电性差、硫化锂体积膨胀和多硫化物穿梭效应导致循环寿命低、稳定性差。因此,针对上述问题,本文设计并制备了CeO2/碳基及CeO2/MXene基锂硫电池正极材料,在保证正极材料导电性的同时,有效地缓解了正极材料体积膨胀,抑制了多硫化物的穿梭效应,电池循环性能显著提高。以六水硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O)为铈源,醋酸纤维素(C
学位
金属间化合物由于具有较高的高温强度、良好的抗腐蚀性能和高模量等优良特性,而被广泛应用于航空、军事等领域,是一种具有极大发展潜力的结构材料之一。但多数的金属间化合物在低温条件下滑移系较少,塑性较差,所以人们开始研究如何提高金属间化合物室温下的韧性,以满足实际需求。20世纪90年代,贝壳中韧脆相间的特殊层状结构引起了研究者的关注,开始研制一种金属/金属间化合物相间的金属层状复合材料,即MIL(Meta
学位
新课标背景下的中学语文阅读教学目标更多是以学生的认知能力为中心,而对学生的思维和情感进一步开发却没有得到充分的重视。通过分析初中语文阅读教学的现状,教师可以从文本细读、思维想象、情感体验、了解学生等四个层面入手,进一步提高初中生的阅读兴趣,增长其见识,培养其想象力,提高其语文综合素养。
期刊
超级电容器以其成本低廉、性能优异、绿色环保、工作高效等特点备受关注。镍基金属硫化物具有很高的电化学活性和理论容量,是很好的超级电容器电极材料,然而镍基单金属硫化物电极材料在导电性以及电化学性能方面很难取得令人满意的结果,其较宽的禁带宽度限制了电子载流子的数量及利用效率。镍基双金属复合材料则可能产生本征特征上的优势互补和协同作用,获得更有益的超电性能。因此,本文采用两步水热法和静置法成功制备了两种以
学位
中国传统文化与电影研究的结合需探索一种方法论框架。传统文化不仅定义着中国电影的民族风格,也包含着对电影本体思考的潜能。对于传统文化的继承,不能局限于美学范畴的简单挪用,而是要对范畴背后的哲学思想进行理解与转化。这样一种哲学视域可以借由“文以载道”展开。通过重新诠释“道”在电影中的不同维度,“影以载道”的视域从影片立意拓展至本体论、认识论诸层面,让受到传统文化浸润的中国电影理论探寻到与世界电影理论相
期刊
镁基复合材料具有轻质、高比强度、比刚度以及优良的减振性能等特点,在航空航天、汽车工业、3C产品等领域拥有良好的应用前景。石墨烯纳米片(GNPs)的强度高、模量高、耐磨性好,是理想的镁基复合材料增强体,但GNPs在镁基体中的分散性以及界面结合能力仍需改进。对GNPs进行表面改性,可以保持GNPs的优良性能,同时改善GNPs的分散性和界面结合能力,结合适合的制备工艺,可以显著改善镁基复合材料组织和性能
学位