基于蠶砂制備氮磷硫自摻雜納米碳材料及其電化學(xué)性能研究.pdf

1、近些年來(lái)，由于環(huán)境污染和能源短缺問(wèn)題加劇，“新能源”一詞已然成為熱點(diǎn)詞匯。各國(guó)研究者們逐漸將越來(lái)越多的精力投入到新能源技術(shù)研究和新能源材料開發(fā)當(dāng)中。新能源主要可分為兩個(gè)方面，即新能源獲取和新能源存儲(chǔ)。新能源存儲(chǔ)又可大致分為電池和電容器兩大塊。隨著可穿戴電子設(shè)備、新能源汽車等領(lǐng)域的快速發(fā)展對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備高能量密度、大功率密度以及安全穩(wěn)定等特性提出了更高的要求，超級(jí)電容器和鋰硫電池漸漸成為研究熱點(diǎn)，尤其是可用作超級(jí)電容器和鋰硫電池電極材料的多孔

2、碳納米材料。本文選用生物質(zhì)天然蠶砂用作碳源，通過(guò)不同的方法制備出具有豐富多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積的生物質(zhì)基多孔碳納米材料，并研究了其電化學(xué)特性。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴通過(guò)180℃反應(yīng)12小時(shí)水熱碳化，隨后經(jīng)過(guò)氫氧化鉀活化后成功制備了多孔碳納米材料。利用 XRD、XPS、EELS表征其成分和物相；利用 SEM和TEM對(duì)其形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；利用氮?dú)馕?脫附曲線對(duì)其比表面積和孔徑分布進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，水熱法制備出的碳材料為納米網(wǎng)

3、絡(luò)結(jié)構(gòu)，自摻雜有少量的氮、磷、硫等元素。除此之外，所制備的材料具有大量微孔，以及一定量的介孔和大孔，比表面積高達(dá)2258.45m2·g?1。將其用作雙電層超級(jí)電容器電極后，表現(xiàn)出良好的超電容特性。在1mA·cm2低電流密度條件下，其面積比電容高達(dá)974.44mF·cm2，即使在100mA·cm2超高電流密度條件下其面積比電容依然高達(dá)444.44mF·cm?2；在0.333 A·g?1低電流密度條件下，其質(zhì)量比電容高達(dá)324.81 F·g

4、1，在33.333 A·g?1超高電流密度條件下其質(zhì)量比電容也達(dá)到了148.15 F·g?1，表現(xiàn)出了良好的倍率性能。⑵通過(guò)在惰性氣體保護(hù)條件下900℃高溫碳化3小時(shí)，隨后經(jīng)過(guò)氫氧化鉀活化后成功制備了多孔碳納米片材料。利用XRD、XPS、EELS對(duì)其成分和物相；利用SEM和TEM對(duì)其形貌結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；利用氮?dú)馕?脫附曲線對(duì)其比表面積和孔徑分布進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，高溫碳化法制備出的碳材料為納米片結(jié)構(gòu)，這與水熱法制備的目標(biāo)產(chǎn)物的形貌結(jié)構(gòu)

5、具有很大差別。高溫碳化法制備的碳材料同樣自摻雜有少量的氮、磷、硫等元素。氮?dú)馕?脫附等溫曲線表明制備的碳材料同樣具有大量微孔，以及一定量的介孔和大孔。將其用作雙電層電容器電極材料后，在1 mA·cm?2低電流密度條件下，其面積比電容高達(dá)716.67mF·cm?2，即使在100mA·cm?2超高電流密度條件下其面積比電容依然高達(dá)444.44mF·cm?2。在0.333A·g1低電流密度條件下，其質(zhì)量比電容高達(dá)238.89F·g1，在33

6、.333 A·g1超高電流密度條件下其質(zhì)量比電容也達(dá)到了148.15F·g1，表現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率性能。另外，將其與單質(zhì)硫復(fù)合后用作鋰硫電池的正極，表現(xiàn)出620.1mA·h·g1（60％硫）和656.6mA·h·g1（70%硫）的首次放電比容量，遠(yuǎn)高于單質(zhì)硫作正極的首次放電比容量125.1mA·h·g1。在0.2C條件下，經(jīng)過(guò)100次循環(huán)后，碳硫復(fù)合材料的容量保持率依然高達(dá)88%（60%硫）和92%（70%硫），表現(xiàn)出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性能