杂原子掺杂碳材料的制备及电化学性能研究

杂原子掺杂碳材料的制备及电化学性能研究碳材料是最为常见的超级电容器电极材料,在超级电容器的应用中起着非常重要的作用。在所有碳材料中,介孔碳材料具有大的比表面积、良好的稳定性和导电性,被认为是超级电容器的理想电极材料。

然而碳材料自身存在倍率性能差、比电容值低等问题,目前可以通过在碳材料中引入杂原子的方法来解决。苯并噁嗪由于具有良好的分子设计灵活性,可以实现将杂原子引入到碳骨架中,是一种有前景的碳前驱体。

本文使用苯并噁嗪作为碳前驱体,介孔分子筛(SBA-15)作为模板剂,通过硬模板法合成杂原子掺杂有序介孔碳材料,并对其电化学性能进行研究,主要研究内容如下:以硫脲型苯并噁嗪为碳前驱体、SBA-15为模板剂制备硫脲型苯并噁嗪基氮/硫共掺杂碳材料(硫脲-NSCM)。通过FTIR、SEM、TEM、XRD、N2吸/脱附和XPS等测试技术对材料进行表征。

测试结果表明碳材料成功复制出模板的蠕虫状有序介孔结构,其比表面积在1179-1407 m2/g之间,平均孔径在7.7-9.3 nm,孔容在2.4-2.9 cm3/g,而且氮、硫元素成功掺杂进入碳材料中。通过CV和GCD测试方法研究样品的电化学性能,探究升温速率、浸渍时间、碳化温度以及电解液对材料性能的影响。

由电化学测试结果可知,在0.5 M H2S04电解液中,0.5 A/g电流密度下材料的最高比电容为604 F/g,当电流密度增加到10 A/g时,仍有416 F/g的高比电容,其电容保持率为68.9%,具有良好的倍率性能。在5 A/g电流密度下,经过2000次充放电循环后,其电容保持率为93.6%,说明该材料具有优异的循环稳定性。

以含硫苯胺型苯并噁嗪为碳前驱体、SBA-15为模板剂制备苯胺型苯并噁嗪基氮/硫共掺杂碳材料(苯胺-NSCM)。FTIR证实了苯并噁嗪单体的形成;SEM和TEM

测试结果表明材料部分复制出模板的蠕虫状有序结构;XRD分析表明材料具有有序的孔道结构;XPS结果表明杂原子成功掺杂进入碳材料中;由N2吸/脱附可知材料的介孔特性,而且具有大的比表面积(751-1171 m2/g)和孔体积(1.5-2.1

cm3/g)、孔径分布均匀(6.39-8.52 nm)。

此外,探究升温速率、浸渍时间、碳化温度以及杂原子对材料性能的影响,通过CV和GCD测试技术研究样品的电化学性能。测试结果表明,在0.5 M H2SO4电解液中,当电流密度为0.5 A/g时,材料的比电容为642 F/g,高于未掺杂硫原子的有序介孔碳材料(苯胺-NCM为481 F/g)。

当电流密度为10 A/g时,仍有436 F/g的高比电容,其电容保持率为67.9%,表明该材料具有优异的倍率性能。在5 A/g电流密度下,经过2000次充放电循环后,其电容保持率为95.2%,具有优异的循环稳定性。