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氮掺杂碳纳米管的制备及电化学性能研究

作　者: 陶晶
导　师: 李莉香
学　校: 辽宁科技大学
专　业: 化学工艺
关键词: 超级电容器 碳纳米管 氮掺杂 聚吡咯 聚苯胺
分类号: TQ127.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


由于石油资源日趋短缺，并且燃烧石油的内燃机尾气排放对环境的污染越来越严重，人们都在研究替代石油的新型能源装置。对于化学电源的研究成为研究热点并取得了一定的成果，而超级电容器以其优异的电特性而可以部分或全部替代传统的汽油用于车辆的牵引和启动。除此之外，超级电容器具有比传统的化学电池更加广泛的用途。在超级电容器研究中，开发高比容量的电极材料具有重要的应用价值和理论意义。在超级电容器的电极材料——高比表面积碳材料的体相中引入非碳杂原子氮可以提高其作为电极材料的电化学性能。本论文研究了40nm的KC碳纳米管（CNT）和70nm的KF-CNT通过与导电聚合物（以聚苯胺和聚吡咯为研究对象）复合并炭化后，研究其在超级电容器中作为电极材料的电化学性能。本论文的主要研究结果如下：1.通过原位聚合法先将吡咯和苯胺分别包覆在CNTs外，得到聚吡咯/碳纳米管（PPY-CNT）和聚苯胺/碳纳米管（PANI-CNT），之后，将其在700℃进行炭化处理，从而实现碳纳米管的氮掺杂，制备氮掺杂碳纳米管（N-CNTs）。2.通过透射电镜（TEM），激光拉曼光谱（LRS），X-射线光电子能谱（XPS）对材料表面形貌和成分进行了表征。表征结果表明导电聚合物均匀地包覆在了碳纳米管上，经炭化处理后成功地掺入了氮元素且炭化后碳纳米管的结构并没有被破坏。3.采用循环伏安法和交流阻抗法讨论了所制备的N-CNTs作为超级电容器电极材料电化学性能。结果表明：CNTs经氮掺杂处理后，比容量较原始碳纳米管都有显著提高。其中N-CNTs电极在浓度为6mol·L–1氢氧化钠钾溶液中，在100mA·g–1的质量电流密度下，与苯胺复合并炭化后的N-CNT和与吡咯复合并炭化后的N-CNT的容量分别比相应的纯碳纳米管的容量提高了5倍和14倍之多。4.循环性研究表明N-CNTs与原始的CNTs循环性相近，具备超级电容器电极材料所需的良好循环性能。因此本论文的研究对寻找并制备更优异的氮掺杂碳材料作为超级电容器电极材料提供了理论和实验依据。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
1. 绪论  10-20
  1.1 超级电容器概述  10-13
    1.1.1 超级电容器的简介  10
    1.1.2 超级电容器的特点  10-11
    1.1.3 超级电容器的应用  11-13
  1.2 超级电容器的工作原理  13-15
    1.2.1 双电层电容器的工作原理  13-14
    1.2.2 法拉第赝电容器的工作原理  14-15
  1.3 超级电容器的电极材料研究  15-16
    1.3.1 碳基电极材料  15
    1.3.2 金属氧化物复合电极材料  15-16
    1.3.3 导电聚合物电极材料  16
  1.4 碳纳米管及含氮碳电极材料的研究  16-17
    1.4.1 碳纳米管的特性及其在超级电容器中的应用  16-17
    1.4.2 含氮碳电极材料的研究现状  17
  1.5 本论文的研究意义及主要内容  17-20
2. 实验及研究方法  20-29
  2.1 实验设备及试剂  20-22
    2.1.1 实验试剂  20-21
    2.1.2 仪器设备  21-22
  2.2 实验样品制备  22-23
    2.2.1 聚吡咯/碳纳米管样品制备  22-23
      2.2.1.1 PPY-KF-CNT 及 PPY-KC-CNT 的合成  22
      2.2.1.2 PPY-KF-CNT 及 PPY-KC-CNT 的炭化  22-23
    2.2.2 聚苯胺/碳纳米管样品制备  23
  2.3 测试与表征  23-25
    2.3.1 透射电子显微镜（TEM）  23-24
    2.3.2 拉曼光谱（Raman）  24-25
    2.3.3 X 射线光电子能谱（XPS）  25
  2.4 电极和电容器的制备  25-26
    2.4.1 电极的制备  25-26
    2.4.2 电容器的装配  26
  2.5 电化学电容器性能测试  26-29
    2.5.1 循环伏安测试(CV)  26-28
    2.5.2 交流阻抗测试  28-29
3. 结果和讨论  29-44
  3.1 样品形貌分析  29-31
    3.1.1 聚吡咯包覆碳纳米管形貌  29-30
    3.1.2 聚苯胺包覆碳纳米管形貌  30-31
  3.2 样品的 XPS 表征  31-35
    3.2.1 X 射线光电子谱简介  31-32
    3.2.2 以聚吡咯为掺氮试剂的氮掺杂碳纳米管的 XPS  32-34
    3.2.3 以聚苯胺为掺氮试剂的碳纳米管的 XPS  34-35
  3.3 样品的激光拉曼光谱表征  35-36
  3.4 样品的电化学性能测试  36-42
    3.4.1 不同电极材料循环伏安特性  36-39
    3.4.2 循环寿命研究  39-40
    3.4.3 电化学交流阻抗研究  40-42
  3.5 本章小结  42-44
4. 结论  44-45
参考文献  45-49
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  49-50
致谢  50-51
作者简介  51-52

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 非金属元素及其无机化合物化学工业 > 第Ⅳ族非金属元素及其无机化合物 > 碳及其无机化合物 > 碳
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