有序介孔碳的功能化修饰及其电化学性能研究

来源 :青岛科技大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:xiaocai_01
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本文通过软模板法制备有序介孔碳材料,并利用多种元素对所制备的有序介孔碳进行功能化修饰,从而提高其电化学性能。通过TEM、XRD、SAXS、氮气吸附-脱附、XPS、拉曼光谱等测试手段表征材料的结构和形貌,利用电化学工作站测试其电化学性能,并对不同元素功能化修饰有序介孔碳性能的影响机理进行分析和总结。(1)以甲阶酚醛树脂作为碳源,吡咯单体和尿素同时作为氮源,F127作为模板剂,利用溶剂蒸发诱导自组装法(EISA),成功制备出具有高比表面积以及高比电容量的有序介孔碳材料。结构表征表明,所制备的介孔碳材料具有有序的二维六方的孔道结构,高的比表面积(1351 m2/g1469 m2/g)和孔容(1.62 cm3/g1.92 cm3/g),孔径尺寸分布在4 nm左右。氮元素在介孔碳的骨架中主要以三种形态存在:吡啶态氮、吡咯态氮和石墨态氮。电化学测试表明,双氮源共修饰的有序介孔碳具有优异的电化学性能,通过调整双氮源的添加量可获得最大比电容量,即在电流密度为1 A/g的时候,比电容可达到304 F/g,并且在经过1000次充放电循环后比电容量仍保留初始电容的94%以上,可用作超级电容器的电极材料。(2)以甲阶酚醛树脂作为碳源,吡咯单体作为氮源,F127作为模板剂,利用自由基聚合原理以及溶剂蒸发诱导自组装(EISA)法,以FeCl3作为铁源和引发剂引发吡咯单体聚合,成功制备出具有高比表面积、较大孔径尺寸的铁/氮共修饰的有序介孔碳。结构表征表明,所制备的介孔碳材料保持着较为有序的孔道结构,孔道呈现弯曲螺旋形貌,孔径分布较为均一,孔径尺寸最高可以达到18 nm,比表面积为288.65 m2/g496.58 m2/g。氮原子主要以吡啶态氮和石墨态氮的形式存在与碳原子骨架中,铁原子主要以α-Fe和Fe3C两种形式存在。通过调整铁源与氮源的摩尔比可得到不同比电容量的介孔碳材料。电化学测试表明,在电流密度为1 A/g时,比电容量最高可达到257 F/g,经过1000次充放电循环后仍保留初始电容的92%以上,具有优异的电化学性能。(3)以甲阶酚醛树脂作为碳源,无水乙醇和去离子水作为溶剂,吡咯单体和氨基三亚甲基磷酸(ATMP)分别作为氮源和磷源,F127作为表面活性剂,利用蒸发诱导聚集自组装法(EIAA),通过选择性挥发无水乙醇溶剂,制备具有高比表面积以及极高比容量的氮和磷共修饰的有序介孔碳材料。结构表征表明,介孔碳材料具有层状堆叠的表面形貌,有序的孔道排列和均一的孔径分布,氮气吸附-脱附测试表明,其具有高的比表面积(达到1233.27 m2/g)和孔容(1.73 cm3/g),且孔径尺寸集中分布在45 nm。XPS测试表明,氮和磷元素在碳原子骨架中通过共价键相互结合,其中氮原子主要以吡咯态氮,吡啶态氮和石墨态氮的形式存在,磷原子主要以P-C键和P-O键的形式存在。电化学测试表明,所制备的材料在电流密度为1 A/g时,比电容高达382.3 F/g,并且在经过1000次充放电循环后仍保留初始电容的95%以上,具有优异的电化学性能,在超级电容器的电极材料领域具有较大的应用潜力。
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