《氮摻雜多孔碳納米材料的可控制備及其電容性能調控》是依託中國科學院電工研究所，由馬衍偉擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：氮摻雜多孔碳納米材料的可控制備及其電容性能調控
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：馬衍偉
- 依託單位：中國科學院電工研究所
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著環境和能源問題日益緊迫，對於二氧化碳的固定和轉化以及開發新型儲能器件具有十分重要的意義。本項目採用金屬鎂在氨氣氣氛中熱還原二氧化碳可控制備氮摻雜多孔碳納米材料，並闡明氮摻雜碳材料的生長機制。通過控制反應溫度和反應時間，實現石墨烯、碳納米管和空心碳納米立方體等氮摻雜多孔碳納米材料的宏量製備。開發氮摻雜多孔碳納米材料在超級電容器電極材料方面的套用，獲得氮摻雜多孔碳納米材料的表面性質、比表面積、孔結構、導電性等對超級電容器性能的影響規律。充分利用氮摻雜多孔碳納米材料的高導電率、高比表面積和層次孔結構為開發高性能的超級電容器奠定基礎。氮摻雜多孔碳電極材料的能量密度最高到達120 Wh/kg,功率密度最高到達150 kW/kg。
結題摘要
隨著能源問題日益緊迫，二氧化碳的固定和轉化以及開發新型儲能器件具有十分重要的環保意義。超級電容器具有功率密度高、循環壽命長、使用溫度範圍寬和安全性能好等優點，在電動汽車、新能源發電系統、軌道交通、航空航天等領域中具有廣泛的套用前景。但與蓄電池相比，超級電容器的能量密度偏低。電極材料是超級電容器的重要組成部分，是影響超級電容器性能的關鍵因素。本課題圍繞由二氧化碳轉化宏量製備高性能石墨烯材料、氮雜多孔碳材料的可控制備、高性能超級電容器的構建等方面開展了系列工作，取得了一系列重要進展。 在基於CO2轉化製備碳納米材料方面，我們率先將自蔓延高溫合成技術套用於高品質石墨烯粉體的規模化製備，採用CO2為原料，金屬鎂粉為還原劑，納米氧化鎂為模板劑，通過鎂粉在CO2氣氛中自蔓延燃燒的方式，成功實現兼具高比表面積和高導電性的介孔石墨烯的宏量製備。石墨烯在離子液體中比電容高達244 F/g，能量密度高達136 Wh/kg，功率密度高達1000 kW/kg，循環100萬周后容量保持率大於90%。我們提出的基於CO2轉化自蔓延高溫合成技術路線將有力促進石墨烯在超級電容器等儲能領域中的實際套用。 在氮雜碳材料的可控制備及高性能超級電容器的構建方面，我們採用殼聚糖為碳源，製備了比表面積為2350 m2/g，氮含量達4.26 %的氮參雜炭材料，用作正極時比容量達124 mAh/g，組裝的鋰離子電容器能量密度達45 Wh/kg，循環4萬周后容量保持率大於91%；葡萄糖為碳源製備出高比表面積的層次孔結構炭材料，用於鋰離子電容器電極材料時，能量密度高達180 Wh/kg；利用硬模板自限生長技術合成了一系列石墨烯與多孔納米碳的複合物，在非水系電解液中的能量密度達到80 Wh kg-1，並且具有優異的倍率特性。採用聚苯胺-石墨烯複合納米材料製備的柔性固態超級電容器具有180 F/g高比電容和75 Wh/kg的能量密度；採用聚苯胺原位聚合製備的3D石墨烯@聚苯胺凝膠一體化電極，比電容可達414 F/g。 本課題的開展對促進高性能的電極材料在超級電容器中的套用具有重要的指導意義。
