【摘 要】
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超级电容器因其质轻,高的功率密度和优秀的循环稳定性而受到了广泛的关注。众所周知,多孔碳材料(NPCs)由于其大的比表面积、优良的循环稳定性和导电性,目前是制造超级电容器电极的主选材料。但其较低的电容量和能量密度限制了其发展,可通过杂原子掺杂来提高其电化学性能。本文主要使用不同的含氮、硫的前驱体,通过化学合成、溶液浇注以及高温碳化等方法制备了三种材料:ZIF-8基氮掺杂的多孔碳材料(CM-NPCs)
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超级电容器因其质轻,高的功率密度和优秀的循环稳定性而受到了广泛的关注。众所周知,多孔碳材料(NPCs)由于其大的比表面积、优良的循环稳定性和导电性,目前是制造超级电容器电极的主选材料。但其较低的电容量和能量密度限制了其发展,可通过杂原子掺杂来提高其电化学性能。本文主要使用不同的含氮、硫的前驱体,通过化学合成、溶液浇注以及高温碳化等方法制备了三种材料:ZIF-8基氮掺杂的多孔碳材料(CM-NPCs)、氮掺杂多孔碳材料(NPCs)、共掺杂多孔碳材料(CPCs),并通过物理和化学方法对其形貌、结构以及电化学性能进行测试。研究工作主要包括以下三方面:(1)以类沸石型咪唑骨架(zeolitic imidazolate framework-8,ZIF-8)为骨架材料,石墨化氮化碳(g-C3N4)为牺牲模板,中间相沥青(MP)为二次碳源,通过一步碳化法制备了ZIF-8基功能化氮掺杂多孔碳材料(CM-NPCs)。由于g-C3N4的模板效应改变了ZIF-8的组装形式,多孔碳材料的形态结构可以从规则的多面体形状转变为“花生壳状”和“片层”结构。制备的CM-NPCs含氮量较高(26.17%),比电容较大(电流密度为1 A g-1时为276 F g-1)。此外,CM-NPCs对称型超级电容比电容高(122 F g-1,电流密度为0.2 A g-1)。功率密度为400 W kg-1时,CM-NPCs提供16.94 Wh kg-1的能量密度。这表明CM-NPCs可以作为高性能超级电容器的候选材料。(2)采用高碳、氮含量的中间相沥青(MP)为碳前驱体,KIT-6为硬模板,通过溶液浇注和高温碳化制备了氮掺杂多孔碳材料(NPCs)。制备的所有NPCs样品结构疏松。其中,NPC-800表面孔洞呈有序分布,且材料主要存在大量介孔和少部分微孔,大量介孔的存在有利于离子的传递,微孔的存在可增加材料的比表面积。制备的NPC-800的比表面积为737.14 m2g-1,氮含量为6.66%,在电流密度为2 A g-1时比电容高达237 F g-1,电流密度为10 A g-1时比电容为197 F g-1,电容保持率为83%,对称电极电容保持率高达84%。NPC-800对称电容器的功率密度为1000 W kg-1时,其能量密度可达16.44 Wh kg-1。因此,NPC-800可以作为超级电容器的候选材料。(3)以布敦岩沥青(BRA)为碳源,KIT-6为模板,通过溶液浇注法制备了N、S共掺杂多孔碳材料(CPCs)。实验发现,碳化温度对CPCs的形貌、介孔结构和电化学性能都有明显的影响。CPC-800具有高比表面积(795.96 m2g-1)、高含氮量(5.75%)和窄孔径(4.98 nm)。在三电极体系中,CPC-800电极的比电容可达211 F g-1(2 A g-1)和165 F g-1(10 A g-1),比电容保持率为78%。而对称超级电容器的比电容保持率可达80%,其功率密度为1000 W kg-1时,能量密度可达19.11 Wh kg-1。结果表明,岩沥青基N、S共掺杂多孔碳材料是一种应用前景广阔的超级电容器电极材料。
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