基于聚合物热解制备杂原子掺杂多孔碳材料及其超电容性能研究

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1、中图分类号：O646论文编号：102870615-S022学科分类号：070305硕士学位论文基于聚合物热解制备杂原子掺杂多孔碳材料及其超电容性能研究研究生姓名韩金鹏学科、专业高分子化学与物理研究方向化学电源与电极材料指导教师窦辉副教授南京航空航天大学研究生院材料科学与技术学院二一五年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMaterialScienceandTechnologyHeteroatomDopedP

2、orousCarbonMaterialsDerivedfromPyrolysisofPolymerandtheirElectrochemicalPerformanceAThesisinChemistryandPhysicsofPolymersbyJinpengHanAdvisedbyAssociateProf.HuiDouSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofScienceMarch,2015南京航空航天大学硕士学位论文

3、承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：I基于聚合物热解制备杂原子掺杂多孔碳材料及其超电容性能研究摘要超级电容器(supercapacit

4、ors)又名电化学电容器，是指采用高比表面积的碳材料、导电聚合物或者过渡金属氧化物作为电极材料的新型储能器件，具有高功率密度、长循环寿命、快速充放电速率、低的制造成本等优点，在军用、民用领域均有广泛的应用前景。根据超级电容器电荷储存机理的不同，可将超级电容器分为双电层电容器和法拉第赝电容器两种。通常使用比表面积大，电导率高的的碳材料作为双电层电容器电极材料。碳材料具有稳定且出色的物理和化学性能，因此碳基双电层电容器表现出优异电化学性能。碳材料具有来源广泛、价格低廉等优势，是最早商业化的超级电容器电极材料。但是相比以导

5、电聚合物和过渡金属氧化物作为电极材料的赝电容器，碳基电极材料的能量密度偏低，低的能量密度制约了碳基电极材料的使用。本文通过构筑不同微观形貌及结构的聚合物作为碳前驱，在惰性气氛保护下使聚合物前驱热解碳化，制备性能优异的杂原子掺杂碳材料，为高容量碳基超级电容器提供理论和科学依据。主要研究包括：(1)本文使用聚苯乙烯(SPS)球作为硬模板，通过原位化学聚合法，在PS球模板上均匀包覆聚苯胺层(HPS)，在去除PS球模板后，通过高温碳化处理将空心PANI球转化为具有分级孔-1道结构的多孔氮掺杂空心碳球(PNHCS)。在电流密度

6、为0.5A·g的充放电电流下，PNHCS的比-1-1电容为213F·g。在1A·g的电流下进行循环稳定性测试，充放电进行5000次后，容量保持率大于91%。材料电化学性能的改善来源于PNHCS独特的微观形貌和氮原子掺杂。中空的PNHCS可存储电解液，在快速充放电过程中具有“离子缓冲”作用，PNHCS富含微孔和介孔，有益于增大材料比表面积，同时，改善电解液离子在材料内部穿梭速率。氮元素的掺杂一方面可以为碳材料增加赝电容反应，改善其电容性能，另一方面对碳材料的电子导电性和表面润湿性也有一定程度的改善。(2)利用植酸作为聚

7、苯胺聚合时的质子酸掺杂剂和软模版，合成具有空间三维网状结构的聚苯胺(P-PANI)纤维。在惰性气氛下进行高温热解反应，使得聚苯胺中的氮元素以及植酸中的磷元素掺入碳材料的晶格中，生成具有三维网状结构的氮磷共掺杂多孔碳纳米纤维(NPCNF)。2-13-1通过氢氧化钾的活化作用，制备出了具有大的比表面积(2586m·g)和大的孔体积(1.43cm·g)的PNPCNF。大的比表面积和丰富的孔道结构有利于提高材料的双电层电容性能和循环稳定性。氮元素的掺杂提高碳材料的比电容，改善了碳材料的电子导电性和表面润湿性。磷元素的掺杂不仅

8、可以为碳材料增加赝电容，还能拓宽碳材料在水系电解液下的的工作电压，从而提高超级-1-1电容器的能量密度。三电极体系下，PNPCNF最大比电容值可达到280F·g(1A·g)。双电极-1体系下，PNPCNF的最大能量密度可达16.3Wh·kg。(3)使用柔性碳纳米管(CNT)纸作为基体，通过稀溶液聚合法，在CNT纸上垂直定向生长聚苯胺纳米线阵列(