MOFs基氮掺杂多孔炭及其石墨烯复合材料的制备和电化学储能

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1、分类号：学校代码：１０１６５密级：学号：２０１５１１０００６６７逢掌坪範大學硕士学位论文ＭＯＦｓ基氮掺杂多孔炭及其石墨烯复合材料的制备和电化学储能作者姓名：陈宝欣学科、专业：无机化学研究方向：无机材料化学导师姓名：田运齐教授高峰副教授２０１８年４月分类号：学校代码：10165密级：学号：201511000667硕士学位论文MOFs基氮掺杂多孔炭及其石墨烯复合材料的制备和电化学储能作者姓名：陈宝欣学科、专业：无机化学研究方向：无机材料化学导师姓名：田

2、运齐教授高峰副教授2018年4月辽宁师范大学硕士学位论文摘要超级电容器是介于传统电容器与电池之间的一种新型储能装置，具有功率密度高，充放电速度快，循环寿命长等特点，在能源储备技术领域被广泛应用。随着中国进入新时代对环境要求的日益提高和对大功率储能器件的需求，研发比容量大、循环寿命长的超级电容器是一项具有挑战性的课题。超级电容器的关键在于电极材料。双电层储能电极材料是利用电极和电解质界面的双电层储存电荷来实现能量的存储，循环寿命长、功率密度大，但能量密度有待提高；赝电容储能材料是利用在电极的表面或

3、体相发生可逆的氧化还原反应来实现能量的存储，能量密度大，但循环寿命较短。因此，研发兼具双电层和赝电容储能的电极材料对提高超级电容器性能具有重要意义，而氮原子掺杂的炭材料可以实现双电层和赝电容储能的结合，但是研发高性能氮原子掺杂的炭材料是非常具有挑战的研究工作。制备氮掺杂炭材料主要有两种方法。一种是对原有炭材料进行表面化学改性，该方法过程繁琐，含氮量低且含氮官能团主要分布在表面，会破坏或添堵原材料的部分孔结构，使比表面积降低；另一种是利用富氮前驱体为原料，通过控制炭化，活化工艺过程直接制得掺氮炭材

4、料，既可以将本身含有的氮原子保留在炭基体中，还不会破坏原有的孔结构。针对以上问题，具体研究如下：1、选用ZIFs系列的ZIF-8作为前驱体，利用ZIF-8的大比表面积，和高达24.41%的丰富理论氮含量，通过精确控制炭化温度，在氮气条件下高温煅烧，进行原位氮掺杂，从而制备出氮含量8.63%且实现双电层和赝电容储能结合的氮掺杂多孔炭材料。应用于超级电容器，在6MKOH电解液，三电极体系下，电流密度为50mAg-1时，比电容最高可达258.68F·g-1。2、石墨烯比表面积大、导电性优良，是目前被发

5、现导电性最好的导电材料，然而石墨烯片层间的范德华分子间作用力，会导致其特别容易团聚。因此，本课题组在制备ZIF-8的过程中掺入氧化石墨（GO），高温煅烧过程中，氧化石墨被还原为石墨烯，利用氮掺杂炭球支撑起石墨烯的片层空间，阻止其堆叠，制备出ZIF-8基氮掺杂多孔炭球和石墨烯复合材料。应用于超级电容器，在6MKOH电解液，三电极体系下，电流密度为50mAg-1时，比电容最高可达292.22F·g-1。结果表明ZIF-8的特殊孔结构和丰富的含氮量在合成电化学氮掺杂多孔炭电极材料方面表现出很高的潜力，

6、而石墨烯的加入也可有效提升氮掺杂多孔炭材料的电化学性能，MOFs基氮掺杂多孔炭及其石墨烯复合材料作为超级电容器电极材料在电化学储能方面有很大的发展空间。关键词：MOFs；GO；氮掺杂多孔炭；电化学储能IMOFs基氮掺杂多孔炭及其石墨烯复合材料的制备和电化学储能PreparationofMOFs-basedNitrogen-DopedPorousCarbonMaterialsandGrapheneCompositesforElectrochemicalStorageAbstractSupercap

7、acitorisanewtypeofenergystoragedevicebetweenthetraditionalcapacitorandthebattery.Ithastheadvantagesofhighpowerdensity,highchargeanddischargespeed,longcyclelife,etc.Itiswidelyusedintheenergyreservetechnologyfield.AsChinaentersanewera,theenvironmentalr

8、equirementsandthedemandforhigh-powerenergystoragedevicesareincreasing.Thedevelopmentofthesupercapacitorwithalargecapacityandlongcyclelifeisachallengingtask.Theelectrodematerialisthekeyforthesupercapacitor.Double-layerenergystorageelectrodematerialsis