异质元素修饰有序介孔碳储钠性能的研究

来源 :太原理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:wdq007
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钠离子电池由于其资源丰富、价格低廉且具有与锂相近的理化性质,而被认为是替代锂离子电池在大规模储能领域应用的新电池体系。开发综合性能优异的负极材料对促进钠离子电池的发展具有重要意义。有序介孔碳有高比表面积和独特的相互交联的介孔孔道,有利于钠离子的吸附和扩散,是一种极具潜力的钠离子电池负极材料,但存在导电性差、表面电化学活性位点少的问题。本文针对上述问题,对有序介孔碳进行杂原子掺杂和氧官能化改性,以期制备高性能的钠离子电池负极材料,并对其电化学性能和结构进行研究。主要研究结论如下:(1)通过一步法制备氮硫共掺杂的有序介孔碳,研究了不同掺杂量对有序介孔碳的层间距、缺陷、孔结构、化学键等结构和电化学性质的影响。此外,利用理论计算研究杂原子掺杂有序介孔碳的钠离子吸附能和电子导电性。(2)氮硫原子共掺杂可以有效地提高有序介孔碳的电子导电性和增加缺陷位点,从而改善电子转移的效率和钠离子的吸附过程。在硫脲和介孔碳质量比为5:1时,得到的氮硫共掺杂有序介孔碳表现出优异的电化学性能,在5 A g-1的电流密度下循环3000周后仍然表现出220 mA h g-1的容量。(3)使用不同浓度的H2O2对有序介孔碳进行氧官能化,在不改变碳层间距、缺陷量、化学组成的情况下,针对氧官能团对储钠行为的影响进行了单纯而系统的研究。综合实验结果与理论计算发现,酸酐基和醌基官能团在储钠过程中可以提供两个活性位点,且具有稳定的构型、良好的电导性和很强的钠离子吸附能力,对储钠容量贡献中占主导作用。而羧酸只有一个C=O键且其钠离子吸附能力最弱,对储钠容量贡献较小。(4)利用体积比为75%的H2O2处理有序介孔碳表面引入官能团,可以有效地加速其表面反应动力学,所得的氧官能化有序介孔碳在2 A g-1的电流密度下循环4000周后仍然表现出218 mA h g-1的稳定储钠容量,相较未官能化的有序介孔碳其性能提升近64.7%。
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