氮掺杂介孔碳的制备及其电化学性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

超级电容器（supercapacitors）即电化学电容器，是介于传统静电电容器和充电电池之间的具有特殊性能的储能装置。该类电源主要通过电极材料与电解液界面之间的离子快速吸附/脱附（双电层电容）和完全可逆的法拉第氧化还原反应（赝电容）电荷进行电能储存。较之于传统的电容器，超级电容器具有显著的比容量特性，更高的能量密度以及更为长久的使用寿命^[1]；而相比于锂离子电池，其具有超强大电流放电能力，更高的功率密度，更快的充电速度，更宽的使用温度范围及安全环保的特点，但能量密度相对较低。基于上述特征，超级电容器的出现与推广，不是为了取代电池，而是与电池互补，应用于辅助峰值功率、存储再生能量、备用电源等方面，在军工工控，电动车辆、智能三表、风力发电、电动工具等领域具有广阔应用前景。

碳材料具有原料丰富、比表面积大、耐高温、耐酸碱和良好的导电性等特点。孔径范围在2-50nm的介孔碳材料，作为多孔碳材料的一个重要分支，是一种介稳态碳晶体的纳米结构材料，其比表面积较大^[2]，孔径分布均匀、孔道三维连接有序、化学和热稳定性好，可制备催化剂载体、储氢材料、吸附分离和超级电容器电极材料等。然而，碳材料表面有化学惰性、活化程度有限，限制了更多领域的广泛应用。

近年来，通过在碳骨架中引入氮、氧、磷等杂原子，成为一种对多孔碳表面的化学性质改性的重要途径。其中，氮参杂因其来源广、易掺杂而逐渐受到人们的关注。氮原子在元素周期表中与碳原子处在同一周期相邻的位置，其相近的原子半径有利于取代碳原子而进行掺杂。经过碳掺杂的碳材料可有效地改变材料表面化学性质并形成一定的官团，使其具有一定的酸碱性和亲水性^[3]，并有效提高材料的应用范围。此外，氮原子的孤对电子充当了载流电子的作用，其电子密度增加而使能带变窄，表现出比纯碳材料更优越的导电能力，还可使石墨微晶平面发生诸多错位、弯曲、离位等具有不对成电子的缺陷位，从而改善孔道结构和电子传输速率。将氮原子引入碳材料后，其局部较高的电子密度及表面能的差异，能够增加碳材料对离子的吸附能力，增强金属粒子与载体之间的相互作用，促进金属的均匀分散，改变材料孔结构和表面性质^[4]，同时氮元素的引入也改变了碳材料的碱性、氧化稳定性、催化活性等诸多性质。

2. 研究内容和预期目标

1、聚丙烯腈凝胶的制备

2、氮掺杂的介孔碳的制备

3、介孔碳/rgo纸的制备及性能研究

3. 研究的方法与步骤

聚丙烯腈水凝胶的制备^[10]：

（1）水相的制备：取1.0g聚乙烯醇，0.347mol十二烷基硫酸钠，100ml去离子水在250ml的锥形瓶中混合，用恒温磁力搅拌锅加热至80℃，并且控制搅拌速度在300r/min左右，直至聚乙烯醇和十二烷基硫酸钠的混合溶液全部溶解成透明溶液，将其冷却至室温，得到水相，保存备用。

（2）油相的制备：将5.0ml丙烯腈，不同量的亚甲基双丙烯酸胺，0.3ml二氯甲烷和0.3ml正辛醇加入至250ml三口烧瓶中，再加入0.9466mol四甲基乙二胺，0.488molcubr和7.43mol偶氮二异丁腈，振荡15min得到油相。

4. 参考文献

[1] wang j.; liu q.; phys. chem. c,2007,111(20):266-7272.

[2] zhao x.; wang a.yan j. et al. chem master.2010,22(19):5463-5473.

[3] liang c.; dudney n.;howe j. chem master.2009,21(19):4724-4730.

5. 计划与进度安排

（1）第一、二周：在查阅文献资料的基础上，写出开题报告。

（2）第三、四周：完成聚丙烯腈水凝胶的制备。

（3）第五、六周：完成氮掺杂介孔碳的制备。