【摘 要】
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随着世界探索清洁和安全能源的新选择,超级电容器的贡献越来越明显。超级电容器具有快速充电、循环稳定性强和宽工作温度范围等优势,但超级电容器的商业化目前受到若干挑战的限制。诸多关于超级电容器的报告表明其未来的发展方向有赖于新型炭材料的开发,新型炭材料应具有优异的多孔结构、高比表面积、高导电性和高电化学稳定性等性能。因此选取合适的炭前驱体制备新型炭材料,提高超级电容器电化学性能成为重要的研究课题。研究表
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随着世界探索清洁和安全能源的新选择,超级电容器的贡献越来越明显。超级电容器具有快速充电、循环稳定性强和宽工作温度范围等优势,但超级电容器的商业化目前受到若干挑战的限制。诸多关于超级电容器的报告表明其未来的发展方向有赖于新型炭材料的开发,新型炭材料应具有优异的多孔结构、高比表面积、高导电性和高电化学稳定性等性能。因此选取合适的炭前驱体制备新型炭材料,提高超级电容器电化学性能成为重要的研究课题。研究表明,以MOFs为前驱体制备的多孔炭优点在于可控的多孔结构和拥有高比表面积。且MOFs只需要通过直接炭化的过程来制备理想多孔炭,此外,MOFs还可制备杂原子掺杂多孔炭,杂原子的存在可改善多孔炭材料的界面润湿性,有利于电解质离子的供应,进而提高多孔炭的电化学性能。本文以提高超级电容器电化学性能为主线,致力于以MOFs为炭前驱体,通过一步炭化法制备高性能氮自掺杂多孔炭,并探究其微观形貌、结构,系统测试其电化学性能;本论文的主要研究如下:(1)用溶剂法制备金属有机框架[Zn(C10H14O4)(C4H6N2)]n,简称ZDM。以ZDM为前驱体,一步炭化法制备氮自掺杂多孔炭ZDMC-T-t。考察炭化温度、时间对氮自掺杂多孔炭ZDMC-T-t的微观结构和电化学性能的影响;研究结果表明:氮自掺杂多孔炭ZDMC-800-2的比表面积达648.18 m2g-1,氮、氧含量分别高达16.35%、6.51%;氮自掺杂多孔炭ZDMC-800-2在1.0 A g-1下比电容高达219.4 F g-1,且经过5000次恒电流充放电,电容保留率仍为88.94%;电流密度从1.0 A g-1增加到10.0 A g-1时,衰减率仅为14.18%;表明氮自掺杂多孔炭ZDMC-800-2具有出色的电化学性能和优良的倍率性能。(2)用溶剂法制备金属有机框架{[Zn(1,4-BDC)0.5(3-NH2-trz)]·(solvent)]}n,简写为ZAP。以ZAP为前驱体,一步炭化法制备氮自掺杂多孔炭ZAPC-T。考察炭化温度对氮自掺杂多孔炭ZAPC-T的微观结构和电化学性能的影响;研究结果表明:氮自掺杂多孔炭ZAPC-800的比表面积高达728.57 m2g-1,氮、氧含量分别高达19.09%、5.93%;氮自掺杂多孔炭ZAPC-800在1.0 A g-1下比电容高达225.4 F g-1,且经过5000次恒电流充放电,电容保留率仍为83.01%;电流密度从1.0 A g-1增加到10.0 A g-1时,衰减率为21.2%。表明氮自掺杂多孔炭ZAPC-800具有优异的电化学性能和良好的循环稳定性。(3)用溶剂法制备金属有机框架{[(CH3)2NH2]2[Zn5(TDA)4(TZ)4]·4DMF}n,简写为ZHT。以ZHT为前驱体,一步炭化法制备氮自掺杂多孔炭ZHTC-T。考察炭化温度对氮自掺杂多孔炭ZHTC-T的微观结构和电化学性能;研究结果表明:氮自掺杂多孔炭ZHTC-750的比表面积达494.43 m2g-1,氮、氧含量分别高达7.51%、4.88%;氮自掺杂多孔炭ZHTC-750在1.0 A g-1下比电容高达230.2 F g-1,且经过5000次恒电流充放电,电容保留率仍为93.05%;电流密度从1.0 A g-1增加到10.0 A g-1时,衰减率仅为11.9%。表明氮自掺杂多孔炭ZHTC-750具有优异的电化学性能和良好的循环稳定性。
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