聚多巴胺衍生氮掺杂碳材料的制备及其电容与吸波性能研究

作     者：胡帆帆 

作者单位：陕西科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林营;王雷

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：氮掺杂碳材料 分级孔结构 聚多巴胺 电化学性能 吸波性能 

摘      要：超级电容器是一种新型的储能装置。成本低,环境友好,可持续性强的电极材料可以促进超级电容器的大规模商业化发展。另外,电子工业蓬勃发展的同时带来了电磁辐射污染,它对人体健康构成了威胁。因此,为了进一步满足更高的要求,新型的吸波材料亟待研究。聚多巴胺衍生氮掺杂碳材料是一种环境友好,制备过程简单且可持续的碳基材料,本文利用聚多巴胺的特殊结构制备了多孔碳材料,介孔中空碳微米笼材料以及氮掺杂碳/CoNi复合材料。最后,对其物相结构、电化学性能和电磁波吸收性能进行了研究,下面为本文的主要内容:(1)不同粒径的SiO2制备的多孔碳的研究用不同粒径的PVP功能化SiO2球作为硬模板,成功的制备了具有不同孔径尺寸的多孔碳球。物相和形貌测试表明:成功的合成了多孔碳球,且加入的硬模板粒径越大,所制备的多孔碳材料粒径越大。EDS能谱验证了氮元素的存在。电化学性能的测试结果显示:NPC-6、NPC-15和NPC-60在电流密度为0.5 A·g-1下的比电容分别为143.34、140.57和92.27 F·g-1。NPC-6和NPC-15在扫描速率为5 mV·s-1时的比电容分别为249.55和249.84 F·g-1,而NPC-60仅为201.71 F·g-1,证明小介孔尺寸的多孔碳材料拥有更高的电容量。NPC-6、NPC-15 和 NPC-60 的循环保持率分别为 95.18%、96.27%和 98.77%,三者都展现了很好的循环性能。其中,NPC-60展示出最高的循环保持率。这可能是由于大尺寸的孔径结构有利于缓解体积效应,从而得到更好的循环性能。(2)不同SiO2添加量制备的多孔碳材料的研究以直径为15 nm的SiO2为硬模板,制备了 0.2～0.6 mL添加量下的多孔碳材料。XRD和Raman测试结果表明材料基本结构为无定形的碳材料且皆为纯相。SEM和TEM图像表明随着SiO2添加量的增大,孔径逐渐增多,且制备的单个多孔碳球的尺寸逐渐减小并出现了团聚现象。电化学测试分析可知,在0.5 A·g-1电流条件下,NC-2、NC-3、NC-4、NC-5和NC-6得到的最大比电容值为93.84、95.70、104.04、140.57和144.88 F·g-1。在扫描速率为5 mV·s-1时,NC-2、NC-3、NC-4、NC-5和NC-6得到的最大比电容值为173.80、217.33、245.71、249.84 和 255.95 F·g-1。这表明随着孔径增多,其电化学性能也随之提升,但是当添加量大于0.5 mL时,继续增大硬模板添加量对比电容提升不大。其中对NC-5进行了 20000圈的循环测试后,仍保留了 95.4%的循环保持率,表现出良好的循环稳定性。(3)介孔中空碳微米笼的制备及性能研究以Fe2O3为硬模板,F127为软模板,采用了软-硬模板结合法制备了氮掺杂的介孔中空碳微笼(N-MHCC),同时制备了氮掺杂空心碳微笼(N-HCC)进行比较。XRD和Raman结果表明N-HCC和N-MHCC是无定形碳。且N-MHCC的ID/IG 比小于1,表明它具有更高的石墨化程度,这对电子的传导更有利。通过形貌和比表面积分析,N-MHCC为兼具微孔与介孔的中空碳笼。N-MHCC的比电容最高可达210.66 F·g-1,当电流密度增加到10 A·g-1时,比电容保持134.85 F·g-1,其倍率性能高达64.01%。在5A·g-1的电流密度下经过4000次循环后,N-MHCC的循环保持率高达96.92%,这是由于N-MHCC的介孔和中空结构可以减轻充电和放电期间的体积效应。吸波性能测试表明,N-MHCC的最大反射损耗值为-27.12 dB,最大有效频带宽度为 6.04 GHz。(4)氮掺杂碳/CoNi的制备及性能研究为了进一步提升氮掺杂碳材料的电磁波吸收性能,用CoNi LDH作为前驱体,聚多巴胺作为碳源,在热解过程中还原CoNi LDH中的金属离子为CoNi磁性金属。XRD和Raman图谱证明了 CoNi和C的存在,且越高的热解温度,则更易得到越多的碳结构缺陷。SEM和TEM图像可以观察到复合材料保留了 LDH的二维片层结构,表面碳层具有介孔结构,且LDH被还原后使材料的内部有大量的空腔。另外,随着热解温度的升高,CoNi合金的尺寸逐渐增大。XPS表征了碳骨架中的掺杂元素(N和O)的存在,其导致了稳定的偶极子极化。CoNi@C-700的最大反射损耗值为-70.86dB,最大有效频带宽度高达7.74 GHz,几乎覆盖了整个Ku波段。