氮掺杂多级孔碳纳米球的合成及其应用性能研究

编号：NMJS09620

篇名：氮掺杂多级孔碳纳米球的合成及其应用性能研究

作者：李丽洋

关键词： 多级孔碳材料; 氮掺杂碳材料; 间苯二胺; 超级电容器;

机构： 大连理工大学

摘要： 氮掺杂多级孔碳材料因其在物理结构和化学性质方面的优越性在电化学储能领域受到广泛关注。从物理结构方面,多级孔隙结构能够综合微孔、介孔和大孔结构的优点和弥补缺点,使碳材料具有更适宜的比表面积、孔隙体积和传质效率等。从化学性质方面,氮原子掺杂可以提高碳材料在水系电解质中的润湿性,并为法拉第氧化还原反应提供更多的活性位点。本论文基于间苯二胺、间苯二酚与甲醛的聚合反应及硅酸四乙酯（TEOS）的水解反应动力学差异,从材料的氮原子掺杂和多级孔隙结构两方面进行设计,并将其用作超级电容器的电极材料评估其电化学性能。 借助间苯二酚与间苯二胺分别与甲醛在pH～9反应生成聚合物、TEOS St（?）ber水解成二氧化硅、有机聚合物与二氧化硅通过CTAB的静电作用组装成复合纳米微球,再经碳化和刻蚀得到具有微孔-介孔孔隙结构的氮掺杂两级孔碳纳米球（NMCN）。当间苯二胺和间苯二酚的总质量不变时,调控间苯二胺质量分数,得到的NMCN氮含量在2.92wt%-6.03 wt%,比表面积在848.2-1076.9 m2 g-1,孔径主要分布在小于20 nm的碳纳米球。详细研究了活化条件对NMCN电化学性能的影响。将间苯二胺质量分数10%条件下制备的NMCN-0.1与碳酸氢钾以1:3的质量比在氮气气氛下以700℃活化60 min,得到比表面积1315.5 m2 g-1的NMCN,其在三电极体系中表现出305.54 F g-1的比电容(0.2 A g-1电流密度)和74.0%的电容保持率(20 A g-1电流密度);在10 A g-1的电流密度下经8600次循环充放电后初始电容保持率仍为97.5%。 将间苯二胺与甲醛经席夫碱生成的聚合物以及TEOS水解生成的二氧化硅颗粒在CTAB存在下共组装,经刻蚀处理后得到具有微孔-介孔-大孔孔隙结构的氮掺杂三级孔碳纳米球（NHCS）。调节氨水用量可调变聚合物和二氧化硅的生成速率,进而控制NHCS的形貌和孔隙结构。其中,以80μL的氨水（25 wt%-28 wt%）用量制备的NHCS-80具有11.39 wt%的高氮含量和684 m2 g-1的比表面积,孔径主要分布在小于130 nm。详细研究活化条件对电化学性能的影响后发现,NHCS-80与碳酸钾以1:3的质量比在氮气气氛下以700℃活化60 min后,比表面积增加到1690.42 m2 g-1,在三电极体系中表现出365.8 F g-1的比电容(0.2 A g-1电流密度)和70.0%的电容保持率(10 A g-1电流密度);在两电极体系中表现出9.1 Wh kg-1的能量密度(0.1 kW kg-1功率密度),且在2 A g-1的电流密度下经过10000次循环后仍保持96.8%的初始电容。表现出优秀的电化学性能。