煤基材料制备掺N多孔碳/NiO(Fe3O4)及其电容性能研究

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21世纪全球能源危机和环境污染问题已经变得日益突出,引起了全世界的广泛关注。能源的开发使用与存储问题已经成为人们关注的焦点问题。在众多储能装置中,超级电容器由于功率密度高、循环寿命长以及充放电速率快等优点脱颖而出,成为储能装置研究领域的重点。而超级电容器电极材料又是超级电容器领域的核心问题,故制备高性能、稳定的电极材料是超级电容器发展的关键。  本文对超级电容器电极材料进行了研究,选用价格低廉的华亭煤为碳源,通过脱灰处理后与苯胺原位聚合制备煤基聚苯胺,然后以煤基聚苯胺为碳氮源,以金属或有机金属为催化剂,催化热解制备掺N多孔碳,最后通过化学氧化或高温水汽法将催化剂转化为金属氧化物,制备掺N多孔碳/金属氧化物复合材料,分别用XRD,XPS,FTIR,SEM, Raman,比表面分析等方法对其结构进行表征,采用电化学工作站对其电化学性能进行研究。主要研究结果如下:  (1)采用Ni作催化剂,或乙酸镍作催化剂前驱体,催化热解煤基聚苯胺,并经过化学氧化制备出掺N多孔碳/NiO。结果表明:N元素主要以酞菁结构的形式掺入了多孔碳中,N含量维持在0.1%~2.3%之间,制备的掺N多孔碳以无序碳和类石墨碳共存,且无序碳为主,保留了部分煤的芳核大分子结构,表面有较多含氧官能团,孔径以介孔为主,Ni作催化剂制备的掺N多孔碳/NiO平均孔径为19.8 nm,比表面积为627.5 m2/g;乙酸镍做催化剂制备的掺N多孔碳/NiO平均孔径为19.2 nm,比表面积为377.3 m2/g。对其电化学性能的研究表明:掺N多孔碳/NiO表现出较高的电化学性能及较好的稳定性。不同扫速下的循环伏安曲线兼具双电容和赝电容特征。恒流充放电表明:当选用1:1制备的煤基材料,与乙酸镍1:2混合,制备的掺N多孔碳/NiO在2 A/g的电流密度下,比电容为434.97 F/g,能量密度为161.69 Wh/kg,功率密度为1635.99 W/kg;当选用1:1制备的煤基材料,与镍2:1混合,制备的掺N多孔碳/NiO在2 A/g的电流密度下,比电容为317.42 F/g,能量密度为150.65 Wh/kg,功率密度为1850.99 W/kg。  (2)采用柠檬酸铁为催化剂前驱体,将其热水溶液与煤基材料均匀混合,高温催化裂解的方法制备出掺N多孔碳/Fe3O4。结果表明:N元素主要以酞菁结构的形式掺入了多孔碳中,N含量维持在0.1%~0.5%之间,制备的掺N多孔碳无序碳和类石墨碳共存,煤基材料裂解产物都有煤的芳核大分子结构,有较多含氧官能团。金属氧化物除了Fe3O4,还有少量Fe2O3。掺N多孔碳/Fe3O4孔径以介孔为主,平均孔径为38.4 nm,比表面积为224.6 m2/g。电化学性能的研究表明:掺N多孔碳/Fe3O4表现出优异的电化学性能及稳定性。掺N多孔碳/Fe3O4循环伏安曲线兼具双电容和赝电容特征。恒流充放电表明:当选用1:1制备的煤基材料,与柠檬酸铁1:2混合,制备的掺N多孔碳/Fe3O4在2 A/g的电流密度下,比电容为349.74 F/g,能量密度为37.18 Wh/kg,功率密度为874.94 W/kg。
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