几丁质基氮掺杂多孔炭材料的制备及其电化学性能研究.doc

几丁质基氮掺杂多孔炭材料的制备及其电化学性能研究目前,低碳环保助力经济可持续发展是当下研究者面临的一大挑战。超级电容器作为一种新型的储能元件,因其具备良好的倍率特性及电荷存储能力、高功率密度、长循环寿命以及宽温度适应范围等优点,在能源、通讯、轨道交通等诸多领域得到了成功适用,其电极材料类型将直接影响电容器性能。炭材料依托其原料丰富、成本低廉且较高的比表面积可获得较大的比电容成为迄今为止商业化运行最好的电极材料。而氮掺杂炭材料因其富电子氮及孤对电子的存在,在电化学性能方面展现了广阔的发展空间。本文采用几丁质为前驱体,围绕富氮多孔炭材料的可控制备及其电化学储能之间的构效关系,展开了系统的研究。采用热失重分析、氮气吸脱附等温线、X射线衍射、场发射扫描电子显微镜和X射线光电子能谱等对几丁质的热解行为、氮掺杂炭材料的形貌、结构及表面化学性质进行表征,并通过电化学工作站循环伏安、恒电流充放电及交流阻抗测试对氮掺杂材料的电化学性能进行综合评价。本文的研究内容及结论如下:（1）使用几丁质生物质蝉蜕为炭源和氮源,采用空气预炭化联合KOH活化制备氮掺杂炭材料（CSC-x）,并研究了不同碱炭（蝉蜕炭,CSchar）比（x=0.5、1、2、3）对材料性能的影响。结果表明,当KOH:CSchar=2时,制得的材料CSC-2比表面积为1745m²g^-1。在三电极体系中,CSC-2在电流密度为0.5Ag^-1时,其比电容高达266.5Fg^-1,且表现出良好的倍率性能(20Ag^-1时比电容196.2Fg^-1)和循环稳定性（5000次循环后,比容量保持率92.7%）,这主要归功于氮氧杂原子的掺杂。同时,CSC-2在对称两电极体系下,当电流密度为5Ag^-1时,拥有较高的能量密度(15.97Whkg^-1)和功率密度(5000Wkg^-1)。（2）使用纯几丁质为碳源,NH₄HCO₃、（NH₄）₂SO₄和NH₄Cl三种铵盐为致孔剂和氮源,采用直接热解法制备富氮掺杂炭材料NC。孔结构和表面元素分析表明,NH₄Cl具有最优异的致孔作用及氮掺杂效果。热分析结果发现,三种铵盐中NH₄Cl的分解温度最接近几丁质的分解温度,此外NH₄Cl热分解过程中产生的NH₃不仅能辅助扩孔,而且能成功地将氮原子引入到碳骨架中,生成电化学活性较强的吡咯和吡啶氮官能团。此外,还研究了氯化铵与几丁质的质量比（0.5、1、2）对材料的结构和电化学性能的影响。结果表明当质量比为1时,制得的材料NC-NH₄Cl-1,在电流密度为1Ag^-1时,比电容约为274Fg^-1。在两电极体系下,NC-NH₄Cl-1拥有11.11Whkg^-1的能量密度及10000Wkg^-1的功率密度。