富氮碳材料的制备及其在超级电容器应用中的研究

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超级电容器作为一种新型储能装置,它的特点有:短的充电时间、长的使用寿命、好的温度特性、节约能源和绿色环保等。随着超级电容器理论研究的不断深入与应用技术的飞速发展,需要越来越多新型的、具有良好性能的超级电容器电极材料来满足不同的需求。目前碳材料超级电容器已研究得比较成熟,但是其比电容较低。为了获得高比电容碳材料,我们进行了如下研究,主要内容及结果概述如下:研究了以N-羟乙基苯胺为单体,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为软模板,过硫酸铵为氧化剂,在酸性条件下制备聚-N-羟乙基苯胺(PNPEA)。以PNPEA为碳化前驱体,在石英管式炉中,N2保护下以不同的温度进行碳化制备富氮碳材料(C-PNPEA-X,X=600℃、700℃、800℃、900℃),通过SEM、XRD、TEM等测试手段分析碳化产物的结构。在6mol/LKOH溶液中测试富氮碳材料电极的恒电流充放电、循环伏安、交流阻抗,结果表明C-PNPEA-X的循环可逆性、内阻、质量比电容、稳定性等性能都不理想,相比较C-PNPEA-800℃的电化学性能是最好的,在0.1A/g电流密度下质量比电容(Cs)高达220F/g,在5A/g电流密度下质量比电容只有55F/g,在1A/g电流密度下经过1000次循环充放电质量比电容由90F/g衰减到50F/g,保持率为56%。以C-PNPEA-800℃为前驱体,CO2为活化剂,制备活性炭(AC),探究了活化时间、活化温度对碳材料电化学性能的影响。通过各种测试手段(如SEM、XRD、TEM等)分析AC的结构。在1mol/LH2SO4溶液中测试AC电极的恒电流充放电、循环伏安、交流阻抗,结果表明最佳的活化条件是在900℃下CO2活化4h,其循环伏安曲线呈规则的矩形;溶液电阻是2.046,电极材料的内阻是0.806;在0.1A/g和5A/g电流密度下Cs分别是220F/g和155F/g;在1A/g电流密度下经过1000次循环充放电Cs几乎没有衰减,具有很好的循环稳定性。研究了以PNPEA为前驱体,采用KOH活化制备不同温度下的活性碳材料(PNPEA/KOH-X,X=500℃、600℃、700℃、800℃),通过SEM、XRD等测试手段分析PNPEA/KOH-X的结构。在1mol/LH2SO4溶液中测试PNPEA/KOH-X的恒电流充放电、循环伏安、交流阻抗,结果表明PNPEA/KOH-700℃的电化学性能最好,其循环伏安曲线呈规则的矩形;溶液电阻是2.077,内阻是1.033;在1A/g、3A/g、5A/g、10A/g、20A/g、30A/g电流密度下Cs分别是447F/g、412F/g、337F/g、307F/g、280F/g、270F/g;在1A/g、3A/g、5A/g、10A/g电流密度下经过1000次循环充放电质量比电容保持率分别为75%、76%、84%、98%,在20A/g、30A/g电流密度下经过10000次循环充放电Cs保持率分别为83%、95%,具有好的循环可逆性、小的内阻、高的质量比电容、良好的稳定性。
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