杂原子掺杂多孔碳材料的制备及其在超级电容器中的应用

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多孔碳材料具有良好的导电性、化学稳定性、价格低廉、比表面积高等优点,在超级电容器电极材料中被广泛应用。然而,传统多孔碳材料的能量密度相对较低,限制了其在高性能电容器中的进一步应用。因此,如何提高碳基材料的能量密度是当今科学研究的热门课题。本论文针对碳基材料应用于高性能超级电容器中存在的瓶颈问题,在课题组先前研究氮掺杂提高材料电化学性能的基础上,开展制备高性能杂原子掺杂多孔碳材料相关的基础研究。研究不同煅烧温度条件制备的氮硫共掺杂多孔碳材料作为超级电容器电极活性材料的电化学性能,通过分析材料物理性能与电化学性能之间的关联表明,煅烧温度对材料的结构和性能有很大影响,即温度越高,材料的石墨化程度越高,氮含量越低,微孔和总孔体积呈现先增加后减少的趋势。其中在800℃煅烧得到的材料具有最佳电化学性能。在此最佳煅烧温度条件下,通过分别使用尿素作为氮源与硫脲作为氮源和硫源,分别制备了具有类似孔结构和比表面积的氮掺杂和氮硫共掺杂多孔碳材料,探究氮单掺杂与氮硫共掺杂材料的电化学性能发现,氮硫共掺杂能够改善材料的亲水性且硫与氮形成协同效应提高赝电容,最终可以进一步提高氮硫共掺杂多孔碳材料的电化学性能。通过制备过程前驱体中物料比例的调变,合成了一系列氮硫共掺杂碳材料。利用多种物理表征方法对材料进行结构和组成表征,并详细探讨了材料的比表面积、孔结构和氮硫掺杂量影响其电化学性能的规律。研究结果表明,在氯化钙加入量不变的条件下,随着硫脲的增加,材料的平均孔径和总孔体积减小,氮含量、微孔体积、无序程序、比表面积和微孔占比都会增加,氮含量过高和微孔占比过高会使材料倍率性能变差;在硫脲加入量不变的条件下,随着氯化钙的增加,材料的氮含量、无序程度都会减小,介孔和大孔体积以及平均孔径会增加,材料的倍率性能会不断提高。总结研究结果得出:具有适中的氮含量、合理的微孔占比是进一步提高氮硫共掺杂碳材料的能量和功率密度的有效方法。改进了一种常使用碱性活化剂与尿素(或其他氮源)混用制备氮掺杂多孔碳材料方法,可以克服在常用制备氮掺杂多孔碳材料过程中产生中间产物含剧毒物质(KCN)的缺点,实现低污染的环保制备路线。相比只使用碱性活化剂的制备路线,添加适量CaCl2作为辅助活化剂制备得到的氮掺杂多孔碳材料具有更合理的多级孔结构和和适中的氮含量,更适合作为高性能超级电容器的电极材料。
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