【摘 要】
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ZnO因其含量丰富,无毒,合成原料成本低和良好的电化学活性等优势适合作为超级电容器的电极材料。然而,它的导电性和循环稳定性较差,阻碍了它的广泛应用。多级孔碳材料具有较大的表面积,优异的导电性以及机械和化学稳定性,可作为负载ZnO纳米颗粒良好的载体,从而提高超级电容器电极的导电性和稳定性。此外,研究表明将氮杂原子掺杂到碳载体中可以显着增强电极的电化学性能。基于以上,在本篇论文中制备了两种氮掺杂多级孔
【基金项目】
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国家自然科学基金(Grant No.21606068);
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ZnO因其含量丰富,无毒,合成原料成本低和良好的电化学活性等优势适合作为超级电容器的电极材料。然而,它的导电性和循环稳定性较差,阻碍了它的广泛应用。多级孔碳材料具有较大的表面积,优异的导电性以及机械和化学稳定性,可作为负载ZnO纳米颗粒良好的载体,从而提高超级电容器电极的导电性和稳定性。此外,研究表明将氮杂原子掺杂到碳载体中可以显着增强电极的电化学性能。基于以上,在本篇论文中制备了两种氮掺杂多级孔碳材料(氮掺杂大孔/介孔碳和氮掺杂介孔碳球),负载ZnO纳米颗粒,并对其电化学性能进行了研究。具体研究内容如下:(1)采用具有有序结构的SiO2亚微米球阵列、F127、双氰胺以及酚醛树脂制备了三维有序的氮掺杂大孔/介孔多级孔碳(N-OHPC)材料,所制备的N-OHPC具有较高的BET比表面积(1068.3 m2 g-1)。随后,通过溶胶凝胶法将ZnO纳米颗粒负载在N-OHPC上制备超级电容器复合电极材料,并研究其电化学性能。基于复合材料中ZnO含量优化了电化学性能。测试得到负载量为40%的ZnO/N-OHPC(ZnO/N-OHPC-40%)的电化学性能最为优越。具体表现为ZnO/N-OHPC-40%在1 A g-1的电流密度下的比电容为720 F g-1,当电流密度为10 A g-1时其比电容仍拥有475 F g-1,电容保持率为66%,具有优异的倍率性能。此外,该材料表现出良好的稳定性,经过30,000次循环后比电容保持率为90%。(2)采用具有网状结构的SiO2反蛋白石模板、F127、双氰胺以及酚醛树脂制备了具有有序介孔结构的氮掺杂介孔碳球(N-OMCS)。随后,通过溶胶凝胶法将ZnO纳米颗粒负载在N-OMCS上制备超级电容器复合电极材料,并研究其电化学性能。基于复合材料中的ZnO含量优化了电化学性能。测试得到,负载量为40%的ZnO/N-OMCS(ZnO/N-OMCS-40%)的电化学性能最为优越。具体表现为ZnO/N-OMCS-40%在1 A g-1的电流密度下的比电容为651 F g-1(917.9 F cm-3),当电流密度为10 A g-1时其比电容仍拥有501 F g-1(706.4 F cm-3),电容保持率为77%,具有优异的倍率性能。此外,该材料表现出良好的稳定性,经过30,000次循环测试后比电容保持率为94.2%。
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