基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳材料的制备及电化学性能研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:a306783805
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随着化石能源危机和环境污染问题日趋严重,超级电容器作为一种新型储能元件,具有长的循环寿命、高的安全性能和较宽的使用温度范围等优势而被广泛应用。电极材料对超级电容器的电化学性能起着关键性作用,是近期超级电容器的研究热点。电极材料主要包括碳材料、导电聚合物和金属氧化物等。金属有机框架化合物(MOFs)作为一种新型多功能的晶体状多孔材料,有较大比表面积、可控孔道结构等优势,在催化剂、传感器和发光材料等研究领域应用广泛。本论文通过静置法合成ZIF-8为前驱体,直接碳化后得到基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳材料,再通过原位生长法制备氮掺杂多孔碳复合材料,将氮掺杂多孔碳材料及其复合物作为电极材料,组装对称超级电容器,对其实际应用价值进行评价。主要研究内容如下:通过直接碳化法来合成基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳材料(HPNCs),且较为系统地研究了不同Zn2+源对HPNCs的形貌结构和电化学性能的影响,可知由醋酸锌制备的氮掺杂多孔碳材料(HPNCs-C8)比由硝酸锌得到的氮掺杂多孔碳材料(HPNCs-N8)做电极材料所测的电化学性能更好一些。HPNCs-C8在0.25 A/g电流密度下的比电容为300F/g,并表现出较好的倍率性能。所组装成的HPNCs-C8//HPNCs-C8对称超级电容器在0-1.8 V电压窗口下,当功率密度为0.79 kW/kg时,能量密度是24.8 Wh/kg。为了降低HPNCs的团聚现象,我们从天然荷花粉中得到中空交联蜂巢状的碳球来作为碳源和模版,在碳球表面对HPNCs进行原位生长,从而制备出基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳材料与3D中空交联碳球复合材料(HPNCs/CS)。HPNCs/CS在1 A/g电流密度下的比电容是280 F/g,相对于单一材料(HPNCs)展现出较高的倍率性能和循环稳定性能。所组装成的HPNCs/CS//HPNCs/CS对称超级电容器在0-1.8 V电压窗口下,当功率密度为0.45 kW/kg时,能量密度为16.2 Wh/kg。将还原氧化石墨替代中空交联碳球与HPNCs进行复合,得到基于ZIF-8的氮掺杂多孔碳材料与还原氧化石墨复合材料(HPNCs/rGO),系统地探究了碳化温度、加入的石墨量对材料形貌和电化学性能的影响。通过相应测试可知,在加入8 mg GO,800°C碳化时所得的复合材料表现出更好的电化学性能,并且相对HPNCs/CS提升了能量密度。HPNCs/rGO在0.5 A/g的电流密度下比电容为298 F/g,组装成对称超级电容器,在0-1.8 V的电压窗口下,当功率密度为0.475 kW/kg时,能量密度达到18.0 Wh/kg。
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