吹糖法制备杂原子掺杂多孔碳纳米片及其电化学性能研究

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传统超级电容器在电动汽车和电子产品的应用日趋广泛,但随着新兴柔性电子和可穿戴设备的快速发展,市场亟需研究开发高性能微型超级电容器。目前,基于传统石墨烯或三维石墨烯/碳纳米管复合的碳材料已经难以满足高性能微型超级电容器的要求,因此需进一步开发新型碳材料。杂原子掺杂多孔碳材料因其具有高的孔隙率和比表面积,及掺杂的N、B、P、S或O等杂原子可进入多孔碳骨架作为赝电容活性位点,因此,利用绿色环保的生物质原料方便可控地制备具有高掺杂效率的杂原子掺杂多孔碳材料已成为超级电容器电极材料的研究热点之一。为此,本论文利用一种新的低共熔溶剂体系,结合吹糖法制备了杂原子掺杂碳纳米片,研究了组分比例、碳化温度和升温速率对基础N掺杂碳纳米片的影响;为了增大赝电容性能的表现,进一步利用复合技术制备了N/S共掺杂碳纳米片。为了增大基础N掺杂碳纳米片的孔洞容积率及比表面积,得到多孔结构,研究采用不同活化剂制备N掺杂多孔碳纳米片,分析测试了其形貌、结构和电化学性能;并将N掺杂多孔碳纳米片制备为微型超级电容器,测试其比电容及循环稳定性。本论文的主要研究内容和结论如下:1.对葡萄糖-尿素低共熔溶剂体系制备的N掺杂碳纳米片,研究了组分比例、碳化温度和升温速率的影响因素,实验结果表明,(1)当葡萄糖:尿素摩尔比为20:80时,以4℃/min的升温速率升温至1000℃并保温3h,制备的N掺杂碳纳米片性能最好,其中含N量为4.58 wt%,当电流密度为0.5 A g-1时,其比电容为45.1 F g-1;(2)将该体系中部分尿素替换为硫脲,当葡萄糖:尿素:硫脲的摩尔比为20:70:10,并添加30mg Fe(OH)3,四者混合仍可形成低共熔溶剂,以4℃/min的升温速率升温至1000℃并保温3h,制得N/S共掺杂碳纳米片,Fe元素增大了碳材料的石墨化程度,N含量为4.97 wt%,S含量为0.32 wt%,当电流密度为0.5 A g-1时,其比电容为107.6 F g-1。2.为了有效增加孔隙率,采用了KOH、Ca Cl2、H3PO4三种不同的活化剂对N掺杂碳纳米片进行活化造孔,实验结果表明KOH的效果最好,得到的碳材料比表面积可达1169.9 m2g-1;当电流密度为0.5 A g-1时,比电容为298 F g-1。进一步将不同组分比例的N掺杂碳纳米片采用KOH活化,发现活化进程并不会影响比电容的大小规律,证明前驱体的形成结构对产物的性能有着至关重要的影响。3.将KOH活化处理后的N掺杂多孔碳纳米片以激光法制备为微型超级电容器后,测试了电化学性能,实验结果表明,当电流密度为0.2 m A cm-2时,面积比电容达到了23.2 m F cm-2,远胜于市面上大多数碳材料所制备的超级电容器所表现出的性能结果,即使循环5000次后电容保持率仍达90.2%。
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