G-C3N4在超级电容器上的应用

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随着工业和科技的发展,能源的消耗越来越严重。探索一种清洁的、环保的资源变的越来越重要。作为一种高性能的能量储存装置,超级电容器吸引了越来越多的关注。超级电容器具有快速的充放电、高的能量密度和功率密度和长的循环使用寿命等特点。根据能量储存机制的不同,超级电容器可以分为双电层型超级电容器和法拉第准电容型超级电容器。依据储存电荷的路径的不同,超级电容器有两种,一种是双电层超级电容器,一种是法拉第准电容器。双电层型超级电容器通过电解液与电极材料的离子的吸收与释放来储存能量,电极材料通常是由碳材料诸如活性炭、碳纳米管和石墨等构成的。法拉第准电容型超级电容器通过在电极材料表面的快速的法拉第反应而储存能量,电极材料通常是由导电聚合物和金属氧化物构成诸如RuO2和MnO2。作为一种类似石墨的二维平面结构,石墨相氮化碳(g-C3N4)已经引起了越来越多的关注。g-C3N4拥有高的氮含量,这可以提供更多的活性位点和多余的电子来增强导电性和改善电解质的润湿性。所以g-C3N4在超级电容器的应用上存在着很大的潜力。通常,有二种方法来处理g-C3N4并将其应用到超级电容器上。第一种处理方法是将用某种浓酸将g-C3N4氧化,氧化后的g-C3N4拥有大量的含氧功能团诸如羟基和羧基等,这些含氧功能团含有大量的电子,这增加了含氧功能团的电子与金属离子之间的吸引,从而使得金属离子更容易的被吸引到氧化后的g-C3N4上,从而可以将金属氧化氧化物负载到氧化的g-C3N4上并应用于超级电容器。第二种处理方法是用各种方法剥离g-C3N4得到g-C3N4纳米片,也就是用化学氧化和热氧化两种方法,并应用于超级电容器。(1)用浓硝酸处理g-C3N4(CN),让g-C3N4上带上含氧功能团(OCN),之后加入Fe3+,由于电子的相互吸引,Fe3+与OCN由于电子与电子之间的引力结合,之后再采用溶剂热法合成Fe2O3纳米球/OCN,也就是将Fe3+的前驱体与OCN混合到一定温度的反应釜中,之后将反应釜放到烘箱中加热,加热到一定的时间,及得到所需的产物。通过采用XRD、FTIR、SEM、TEM、XPS等方法对其进行化学表征,通过循环伏安法(CV),恒电流充放电(GCD)、阻抗(EIS)等手段测试其电化学性能。结果表明,Fe2O3纳米球均匀分布在OCN上,10%Fe2O3/OCN呈现出极高的电化学性能。在电流密度1A g-1,10%Fe2O3/OCN拥有243F g-1的比电容,并且在经过1000次循环充放电之后,没有明显的比电容下降,Fe2O3/OCN可以作为很好的一种电极材料应用到超级电容器上。(2)分别采用热氧化和化学氧化制备CN纳米片。通过XRD、FTIR、TEM、AFM等方法对其化学表征,通过循环伏安法(CV)、恒电流充放电法(GCD)、阻抗(EIS)等手段测试其电化学性能。结果表明CN,化学氧化后的CN纳米片和热氧化后的CN纳米片展现了不同的电化学特性。在电流密度0.5 A g-1下,580°C下得到的CN纳米片(170.1 F g-1)高于CN(127.7 F g-1)和12M H2SO4下得到的CN纳米片(133.6F g-1)。在2M KOH的电解液中经过1000次充放电循环后维持了59.9%的比电容稳定率。此外,580°C热氧化后的CN纳米片具有良好的能量密度3.740wh/kg和功率密度99.46w/kg,具有高性能储能设备优越的应用潜力。
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