掺杂碳材料制备及其超级电容器应用

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1、学校代码：10259学号：156061102密级：上海应用技术大学硕士学位论文题目：掺杂碳材料制备及其超级电容器应用英文题目：PreparationofDopedCarbonMaterialsanditsApplicationofSupercapacitors专业：化学工程学院：化学与环境工程研究方向：能源材料姓名：陈海军指导教师：韩生2018年5月
16日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位论文保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。

2、允许论文被查阅和借阅。本人授权上海应用技术学院可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密年□不保密□（必须在相应处打√，否则按不保密处理）学位论文作者签名：销阮指导教师签名：必b军学位论文作者声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已

3、在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：销阮军掺杂碳材料制备及其超级电容器应用摘要作为储能装置，超级电容器具有高功率密度的优势，良好的可逆性和循环寿命长，被广泛应用于如汽车和个人电子产品电源的各个领域。一般来说，超级电容器由活性材料电极、多孔膜和电解质组成。电极材料是电容器的关键因素之一。电极材料的质量直接反映超级电容器的电化学性能。然而，目前市面上最常用的电极材料是多孔碳材料，但由于其能量密度较低，而导致其应用受到限制。因此，为了满足人们对能源需求，在不影响碳材料其他

4、性能的基础上，提高它的能量密度。由能量密度计算公式可知，通过提高电容两端电压或比容量来增加碳基电极材料的能量密度。因此，本论文主要研究通过向碳材料中掺杂杂原子来提高材料的比电容，从而提高该超级电容器的能量密度。主要研究内容和结果如下：⑴通过使用化学试剂ZnCl2作为造孔剂和脱水剂，苯并三氮唑（BTA）用作前驱体来制备高比表面积、氮含量高的氮掺杂碳材料。通过控制活化温度和ZnCl2与BTA的质量比来控制材料的结构和电化学性质。使用各种表征手段（如SEM、TEM、XPS、XRD和BET）对材料的结构、

5、形貌和孔结构进行表征，并根据电化学测试结果来找到制备条件，以期得到最优的材料。XPS和BET分析结果表明，在700℃的热处理温度2−1下，NC-2-700样品中的氮含量为10.27wt%，比表面积为1228m·g；在三电极系统−1−1测试中，在电流密度为0.5A·g时其比电容为332F·g；在两电极系统测试中，该对−1−1称碳基电容器在电流密度为1A·g时，其能量密度和功率密度分别为12.94Whkg−1−1和375Wkg，甚至在电流密度为10A·g时，其能量密度和功率密度仍分别保持5.43−1−

6、1Whkg和3750Wkg。因此，该掺杂多孔碳材料在SCs方面有非常好的应用前景。⑵本文采用化学活化和原位掺氮相结合的方法，以苯并三氮唑（BTA）用作碳源和氮源，H3PO4用作掺杂剂和活化剂，来合成含有N/P/O-三种元素的多孔碳材料。使用SEM、TEM、XPS、XRD和BET对该掺杂碳材料进行微观结构表征和表面元素分析，然后结合电化学测试的结果来对实验制备条件进行优化，从而得到性能最好的材−1−1料。实验结果表明，样品PNOC-3-700具有高的比电容量（227.9F·gat1A·g）和−1−1

7、−1高的能量密度（17.80Whkg），甚至在10A·g时，能量密度仍为12.51Whkg，2−1这是归功于其较高的比表面积(1337.7m·g)和丰富的杂原子或官能团（11.4at%O、6.5at%N、1.1at%P），特别是N-5、N-6以及含氧官能团（醌、C=O、-O-、-COOH和-OH）。关键词：苯并三氮唑；氮掺杂；氮/磷/氧-三元掺杂；赝电容效应；超级电容器PreparationofDopedCarbonMaterialsandItsApplicationofSupercapacito

8、rAbstractSupercapacitors,asanenergystoragedevice,havetheadvantagesofhighpowerdensity,excellentreversibilityandlongcyclelife,andarewidelyusedinvariousfieldssuchaspowercars,personalelectronicproducts.Ingeneral,asupercapacitordeviceconsistsofanac