杂原子掺杂碳材料的制备及其应用于超级电容器电极材料的电化学性能研究

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碳材料作为超级电容器电极材料,因为其具有相对丰富的原材料,经济可行性,可调节的表面化学,易于加工,大的比表面积,高的化学稳定性,快速的传递动力学和较宽的工作温度范围等优点,受到研究人员的广泛关注。虽然大多数碳材料都具有比较高的比表面积,但是它们的电导率常常会随着孔隙率和比表面积的增加而降低,这极大地限制了比容量。如何对碳材料进行合理的孔隙结构设计和表面掺杂改性,是研究的重点难题。本论文主要围绕提高碳材料电化学性能的目的,选择有机配体作为碳源,通过将其与低沸点锌盐配位和碱活化的方法对其进行造孔和刻蚀,杂原子(B、P、N)掺杂/共掺杂对其进行表面掺杂改性,以获得电化学性能优异的碳材料。重点研究获得的多种碳材料在超级电容器电化学性能方面的应用,并采用SEM、TEM、XRD、Raman、XPS、BET等测试手段对碳材料结构、形貌和组成元素等物理性能进行研究。取得的研究结果如下:(1)选择2-(4-hydroxybenzene)imidazo[4,5-f]-[1,10]phenanthro-line(命名为CO)为碳源,探究碳化温度、不同比例P原子或B原子掺杂以及锌盐造孔和KOH活化对碳材料电化学性能的影响。确定最佳碳化温度为700℃,磷酸二氢钾与配体CO的摩尔比为1:1的碳材料P1-COPCN-700电化学性能最佳。基于P1-COPCN-700的对称超级电容器,在0.5 A/g的电流密度下,单个电极比电容达到280.5 F/g,整个器件的比电容为70.1 F/g,能量密度为14.0 Wh/Kg,功率密度为300.0 W/Kg。(2)选用4’-(4-phosphonylphenyl)-3,2’:6’,3”-terpyridine(命名为CP)为碳源,探究碳化温度、不同比例B、P或N原子掺杂以及锌盐造孔和KOH活化对碳材料电化学性能的影响。确定最佳碳化温度同样为700℃,硼酸与配体CP的摩尔比为5:1时的碳材料B5-CPPCN-700电化学性能最佳。对于三电极体系,在电流密度为0.5 A/g时,B5-CPPCN-700的比电容达到503.3 F/g。基于B5-CPPCN-700的对称超级电容器,在0.5 A/g的电流密度下,单个电极比电容达到299.7F/g,整个器件的比电容为74.9 F/g,能量密度为15.0 Wh/Kg,功率密度为300.0 W/Kg。(3)选用2,6-bis(2-pyrazinyl)-4-(4-cyanophenyl)pyridine(命名为CN)为碳源,分别探究不同比例B、P或N原子掺杂以及锌盐造孔和KOH活化对碳材料电化学性能的影响。对比硼酸、磷酸二氢钾和烟酸,对于配体CN,B原子的掺杂可以更大程度上提高其电化学性能,其中以硼酸与配体CN摩尔比为1:2时的B0.5-CNPCN-700的比电容更大。三电极体系下,电流密度为0.5 A/g时,B0.5-CNPCN-700、CNPCN-700、CN-700的比电容分别为421.7 F/g、307.5 F/g、210.2 F/g。
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