基于席夫碱聚合物制备N/O掺杂多孔碳及其电化学性能研究

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近年来,碳材料以其极好的化学稳定性、来源广泛、环境友好、易于产业化等特点,在能源储能、分子吸附、催化、污水处理等领域具有广阔的应用前景。在超级电容器领域,碳材料作为一种常规的电极材料而被广泛研究。在大多数研究中,N/O掺杂作为一种简单高效的策略被用于提升碳材料的电化学性能。因此,提升N/O元素在碳材料内的含量成为现今开发高性能超级电容器碳电极材料的研究热点。本论文以简单、高效的合成方法制备一类新型多孔席夫碱聚合物,随后以其为前驱体,通过调控碳化条件与活化剂种类,开发了系列N/O掺杂碳材料以及高氮掺杂碳材料,具体研究如下:1)本章节采用对苯二胺和2,5-二羟基-1,4-对苯醌为合成单体,以一种简便、低成本、高产的聚合方法合成一类新型的高度交联的席夫碱聚合物(DQPA),采用经典的高温碳化/KOH活化两步法制备一类N/O共掺杂多孔碳材料(DQPACs),并探讨了活化温度对最终材料的形貌与组成的影响。其中,最优碳材料DQPAC-A700具有高的比表面积(1659.97 m2g-1)、较高的N/O掺杂量(N含量:4.09 wt%,O含量:10.84 wt%)以及大量的微孔,这些优势赋予了DQPAC-A700材料理想的电化学性能。研究结果表明:在0.5 A g-1的电流密度下,此材料具有最优的比电容值达292 F g-1;即使提高电流密度至50 A g-1,电极的电容量仍维持在57.2%,展现出优异的倍率性能。同时,我们基于最优材料DQPAC-A700制备对称性超级电容器,具有高的循环寿命(在20000次5 A g-1循环的测试条件下,器件的比容量仍维持96%)以及良好的比容量(0.2 A g-1的电流密度下比容量为162 F g-1)。2)高比表面积、高氮掺杂量以及高的碳合成产率被认为是实现高性能多孔氮掺杂碳材料的要求,然而,制备兼具以上优势的材料却鲜见报道。因此,本章节以多孔席夫碱聚合物(DQPA)为前驱体,以低的腐蚀性的Cu Cl2作为活化剂,采用“一步Cu Cl2活化”,成功制备了一类具有高比表面积、良好的孔隙结构以及超高氮掺杂量的多孔碳材料。随后,我们对比研究了活化温度对最终材料的形貌与组成的影响,并采用XRD技术探讨了Cu Cl2活化碳材料机制。研究表明:Cu Cl2的低腐蚀性确保了碳材料在活化过程中不被过度刻蚀,削弱了碳骨架的破坏以及杂原子的流失。因此,所得的最优碳材料Cu-DBPC-700不仅保持高的合成产率(58%)和原有的纳米级片层结构,而且具备了高的比表面积(2266.02 m2 g-1)以及优异的氮掺杂量(14.44%)。在6M KOH电解液,0.5 A g-1的电流密度下,基于Cu-DBPC-700所制备的电极具有最优的比电容值达286 F g-1。此外,基于Cu-DBPC-700制备的对称性超级电容器展现出良好循环稳定性(经过10000次恒电流充放电后比容量仍存在96%)。
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