掺杂多孔纳米碳材料的制备及其电化学储能性能研究材料资料.docxVIP

目 录 PAGE I 目 录 TOC \o 1-3 \h \z \u 摘 要 l Abstract II 第1章 前言 1 1.1 纳米多孔碳的制备与改性 1 1.1.1 纳米多孔碳的制备 1 1.1.2 纳米多孔碳的掺杂改性 3 1.2 纳米多孔碳在能源储存和转换中的应用 4 1.2.1 锌-空气电池 4 1.2.2 锂离子电池 7 1.3 研究意义和研究内容 9 1.3.1 研究意义 9 1.3.2 研究内容 9 第2章 具有赝电容特性的氮磷双掺杂多孔碳的合成及其储锂性能研究 10 2.1 实验部分 11 2.1.1 实验材料和试剂 11 2.1.2 实验仪器 11 2.1.3 材料制备 12 2.1.4 材料表征 12 2.1.5 锂离子电池组装和电化学性能测试 13 2.2 结果与讨论 13 2.2.1 材料的结构分析 13 2.2.2 材料的储锂性能 19 2.3 本章小结 24 第3章 氮磷共掺杂三维多孔碳网络的合成及其催化氧还原和锌-空气电池性能研究 26 3.1 实验部分 27 3.1.1 实验试剂和仪器 27 3.1.2 材料制备 27 3.1.3 结构表征 28 3.1.4 电化学测试 28 3.2 结果与讨论 29 3.2.1 材料的结构分析 29 3.2.2 材料的ORR催化性能 35 3.2.3 材料的锌-空气电池性能 41 3.3 本章小结 43 第4章 铁氮共掺杂双功能氧电极催化剂的合成及其锌-空气电池性能研究 44 4.1 实验部分 45 4.1.1 实验试剂和仪器 45 4.1.2 材料制备 45 4.1.3 结构表征 45 4.1.4 电化学测试 45 4.2 结果与讨论 46 4.2.1 材料的结构分析 46 4.2.2 材料的ORR催化性能 49 4.2.3 材料的OER催化性能 53 4.2.4 材料的锌-空气电池性能 55 4.3 本章小结 56 第5章 总结与展望 57 参考文献 58 致谢 i 关于学位论文原创性的声明 ii 关于学位论文使用授权的声明 ii 在学期间的科研情况 iii 摘要 PAGE II 摘 要 多孔碳材料具有丰富的孔结构和较大的比表面积，在燃料电池、锌空气电池、锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池等能源储存和转换器件中有广泛的应用前景。本论文以廉价生物质为碳源，设计合成了系列多孔纳米碳材料，并对其在锌空气电池和锂离子电池中的电化学性能进行了研究。主要内容如下： （1）以二氧化硅作为模板，壳聚糖为碳源和氮源，植酸为磷源，通过简单的高温热解成功合成了氮、磷共掺杂多孔碳（NPC-SiO2）。所制备的材料的比表面积大（1355 m2 g-1），孔结构和缺陷丰富，可提供充足的Li+存储位点和快速的电荷传输动力学。作为锂离子电池负极材料，NPC-SiO2表现出了良好的循环稳定性和倍率性能，在0.1A g-1的电流密度下，循环100圈后，放电比容量仍保持为1588 mAh g-1；在5 A g-1的电流密度下，循环1000圈后，放电比容量仍保持为561 mAh g-1，高于大多数已报道的杂原子掺杂碳负极材料。 （2）在NaCl辅助热解下，通过热解生物质壳聚糖和植酸合成了由多孔纳米片交织而成的三维N，P共掺杂碳网络（3D-NPC）。NaCl的加入使得3D-NPC具有层级孔结构（纳米片上有微孔/中孔，以及纳米片之间有相互连接的大孔），较大表面积（967 m2 g-1），较高的掺杂量（N：2.97 at%，P：1.54 at％），丰富的催化活性位点（如吡啶-N，石墨-N，PC和边缘缺陷）和高电导率。3D-NPC在碱性和酸性介质中均表现出出色的ORR催化活性和很强的甲醇耐受性，特别是在碱性条件下超过了Pt/C。此外，以3D-NPC为阴极电催化剂组装的锌-空气电池（ZAB）比以Pt/C为阴极催化剂的锌空气电池具有更高的开路电压、功率密度、能量密度、更大的比容量和稳定性。 （3）以生物质羧甲基纤维素钠为碳源，FeCl3·6H2O作为Fe源，尿素作为氮源，通过自模板法合成了铁/氮共掺杂多级多孔碳（Fe-N-HPC）。Fe3+与羧甲基纤维素钠络合，形成水凝胶，尿素均匀分散于其中。热解过程中，羧甲基纤维素钠转化成碳和Na2CO3，后者作为模板和造孔剂；Fe3+经过碳热还原生成Fe，均匀分布在碳网络中；同时尿素分解释放出的氨气作为氮源使碳材料掺杂氮。因此，Fe-N-HPC