利用模板法合成氮掺杂多孔炭材料及超电容性能研究

200 100 0 -100 0.0 0.2
3
1
9k 8k 7k 528
3
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
530
532
534
536
538
540
60 40
Current density / A g
-1
-1
300
(a)
Specific capacitance / F g
250 200 150 100 50 0
-1
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0
50
100
150
200
250
-1
300
350
400
Potential / V
Scan rate / mV s
0
70
100
200
300
400
500
600
70
Time / s
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60
-0.2
0.0
280
0.0 -0.2
Specific capacitance / F g
-1
(a)
10 A g
-1
carbon-Mg-700 carbon-Mg-800 carbon-Mg-900
240 200 160 120 80 40 0 0
60.0%
(b)
carbon-Mg-700 carbon-Mg-800 carbon-Mg-900
Potential / V
-0.4 -0.6 -0.8 -1.0 0 5 10 15 Time/s 20 25 30
51.1% capacitance retention 34.2% 50.6% 33.8% 21.4% 33.5%
20
40 60 80 -1 Current density / A g
400
600
800
1000
1200
1400
Relative Intensity / a.u.
(b)
C1s
Binding Energy / eV
3- carbon-Mg-900 2- carbon-Mg-800 1- carbon-Mg-700
Sample carbon-Mg-700 carbon-Mg-800
(d) 400 mV s
-1
carbon-Mg-700 carbon-Mg-800 carbon-Mg-900
carbon-Mg-700 carbon-Mg-800 carbon-Mg-900
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
-1.0
-0.8
-0.6 -0.4 Potential / V
3.利用模板法制备多孔炭材料及其 电化学性能研究
*
立方相 MgO
Sample carbon-Mg-700 carbon-Mg-800 carbon-Mg-900
BET surface area (m2 g–1) total Smicro Sext 862 137 725 1051 148 903 942 144 798
30.0k 25.0k
(a)
Intensity (cps)
2.5k
2.0k 23.0 1.5k 10 20
o
Intensity (cps)
20.0k 15.0k 10.0k 5.0k
Intensity (a.u.)
43.3 30 40 2 theta (deg.)
o
23.3
o
50
43.7
o
PF-Zn-1:5
-1
(b)
50 mV s
-1
1 0 -1 -2 -3
carbon-Mg-700 carbon-Mg-800 carbon-Mg-900
Current density / A g
-1
5 carbon-Mg-700 carbon-Mg-800 carbon-Mg-900
0
-5
-1.0
-0.8
-0.6 -0.4 Potential / V
模板炭

如表所示，以活性炭和模板炭化法作超级 电容器电极材料， 表现出的电化学性能较 好。
氮掺杂多孔炭材料的制备方案
后处理法
氨气、氨水、尿素和氨基酸 等 三聚氰胺、聚吡咯、 明胶、聚丙烯酰胺和 含氮生物质
炭化/活化富氮前驱体
利用硬软双模板法制备多孔炭 材料及其电化学性能研究
PF-Zn-PVB-1:5:1样品的FESEM图像(a-b) 和 HRTEM图像(c-d)
Cumulative Pore Volume (cm /g)
3
3
350 300 250 200 150 100 50 0 0
(c)
carbon-Mg-800
500 400 300 200 100 0 0
100 80 60 40 20 0
(d)
carbon-Mg-900
200 150 100 50 0
20
25
30
35
40
24.5
Intensity / a.u.
o
(d) (c)
0.6
0.8
1.0
5
10
15
20
25
30
35
40
Relative Pressure (P/P0)
400 120
Pore width (nm)
250
Cumulative Pore Volume (cm /g) Differential Pore Volume dV (cm /nm/g)
Differential Pore Volume dV (cm /nm/g)
C1s 1
600.0k
C1--284.2 eV (73.56%) C2--285.1 eV (13.53%) C3--288.7 eV (12.91%)
60.0k 40.0k 20.0k
400.0k
O1s C Auger O Auger
200.0k
2
3
0.0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Specific capacitance / F g
20 10 0 -10 -20 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 Potential / V
4000 6000 8000 10000
1st 10000th
-1
54.0% 46.5% 39.4%
30 20 10 0 -10 0 5 10
100
140
-1
carbon-Mg-900
0.0 -0.2
(d)
0.0 -0.1
IR
IR
120 100 80 60 40 20 0 0
Specific capacitance / F g
(c)
Current density / A g
Potential / V
-1
20 10 0 -10 -20 1st cycle 5000th cycle
91.3%
-0.2 -0.3 11 12 13 14 15 16
-0.4 -0.6 5000th cycle -0.8
carbon-Mg-900
1th cycle
-1.0
-0.8
-0.6 -0.4 -0.2 Potential / V
0.0
-1.0
1000
2000
3000
4000
5000
0
5
10
15
0.0 280.0 282.5 285.0 287.5 290.0 292.5 295.0
Binding Energy / eV
500
Binding Energy (eV)
Quantity Adsorbed (cm /g STP)
(b)
adsorption
Relative Intensity (cps)
3
3
5
10
15
20
25
30
35
40
Pore width (nm)
5
10
15
20
25
30
35
40
(a)
survey
C1s O1s O Auger
Relative Intensity / a.u.
(c) O1s
C Auger
3
3- carbon-Mg-900 2- carbon-Mg-800 1- carbon-Mg-700
(b)
Potential / V
0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0
(c)
20 0 -20 -40 -60
-1
5 mv s -1 10 mv s -1 20 mv s -1 50 mv s -1 100 mv s -1 200 mv s -1 400 mv s
0.5 A g -1 1Ag -1 2Ag -1 5Ag -1 10 A g -1 20 A g
-1
Specific capacitance / F g
-1
(d)
120 100 80 60 40 20 0
(e)
Current density / A g
-1
96.2%
60 50
-Z"/ ohm
(f)
1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 0.5 1.0
before cycling after 100 cycles
炭电极材料简介

电极材料的选取是影响超级电容器性能 的决定性因素。金属氧化物中 RuO2 的性 能最佳但是它非常昂贵，其他的比较便宜 的氧化物如 NiO 不能使用在 0.6 伏以上的 电势窗口，此外，它们大多的导电性不是 很好； 导电聚合物的循环寿命较短；然而， 炭材料具有稳定的物理化学性质，低成本 性和良好的导电性等特点，因此，炭是最 有前景的用作电极材料的材料。
w by Zvie Fitted
-Z"/ ohm
63.1%
40
1.5
2.0
2.5
Z'/ ohm
80
0
2000
15 Z'/ ohm
20
25
Current density / A g
Cycle number
本章亮点



双模板炭化法是一种简单有效的制备高比表面 积多孔炭材料的方法。合成的多孔炭材料比表 面积达到864 m2 g–1，孔容达到0.76cm3 g–1，电 化学稳定性能非常优异。 直接炭化，不用后续处理就可以得到多孔炭材 料。 硝酸锌和酚醛树脂非常便宜，易于工业大规模 生产。
PF-blank
0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80
0
10
20
30
40
50
60
70
80
2 theta (deg.)
2 theta (deg.)
800.0k
Relative Intensity / cps
a
C1s
survey
100.0k
(c)
80.0k
Relative Intensity (cps)
total pore volume (cm3 g–1) 1.53 1.93 1.90
average pore width (nm) 7.1 7.4 8.0
Differential Pore Volume dV (cm /nm/g)
Quantity Adsorbed (cm /g STP)
1200 1000 800 600 400 200 0
C (at. %) 91.22 92.10
O (at. %) 8.78 7.90
3 2 285.5 287.0 1
carbon-Mg-900
92.59
7.41
284.9
280.0
282.5
285.0
287.5
290.0
292.5
295.0
3 2
(a) 10 mV s
-1
10
Current density / A g
13k
desorption
ห้องสมุดไป่ตู้(d)
O1s O1--531.3 eV (38.37%) O2--532.5 eV (39.33%) O3--533.4 eV (22.30%) 2
400 300
Pore Volume (cm /g.A )
0
12k 11k 10k
3
0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 2 4 6 8 10 Pore Diameter (nm) 12
Cumulative Pore Volume (cm /g)
(a)
carbon-Mg-700 carbon-Mg-800 carbon-Mg-900
350 300 250 200 150 100 50 0 0
3
(b)
carbon-Mg-700
250 200 150 100 50 0
3
3
0.0
0.2
0.4
-0.2
0.0
-10
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
Potential / V
80
40
Current density / A g
Current density / A g
-1
30 20 10 0 -10 -20 -30 -40
-1
(c)
200 mV s
-1
60 40 20 0 -20 -40 -60
利用模板法合成氮掺杂多孔炭材 料及超电容性能研究
超级电容器

近年来便携式电子设备迅速增长，混合动力电动汽车 快速发展， 传统能量存储与转化器件已不能满足实际应用 的需求，超级电容器应运而生。它是一种介于传统电容器 和 充电电池之间的新型的储能器件，具有比电池大很多的 功率密度和次传统电容器高得多的能量密度。
Relative Intensity / a.u.
2
3
532.7 1 531.5 533.8
2 1
3- carbon-Mg-900 2- carbon-Mg-800 1- carbon-Mg-700
524
526
528
530
532
534
536
538
540
542
Binding Energy / eV
0
200