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生物质多孔碳的制备及在酸碱超级电容器中的应用研究

发布时间:2019-01-11 07:21  文章来源:笔耕文化传播
【摘要】:电化学电容器(ECs),也被称为超级电容器,现在已经被用作为大功率电子装置和数码装置等的驱动电源。究其原因是它杰出的功率密度(Pd),长的循环寿命,与环境友好以及快速充放电。相比于电池,ECs的致命弱点是其能量密度(Ed)相对较低(大约是5 Wh kg-1),从而极大地限制了它的应用。通过开发和构筑新的与酸碱电解液匹配的功能化多级孔先进碳材料(材料与酸碱电解液的匹配包括电极材料的孔径大小和电解液离子尺寸相匹配,电极材料的润湿性和电解液的物性相匹配,电极材料的表面官能团和电解液相互作用的匹配等等)实现高性能ECs。酸、碱电解液因其成本低、安全可靠、环保、电导率高并易与碳材料表面的官能团发生相互作用诱发赝电容效应等因素,因此常用作ECs的电解液。传统上常用不可再生的石油和煤炭资源为原料来合成ECs的碳材料,其制备工艺复杂,有时使用有毒的化学试剂来完成。故而迫切希望选择一条使用低成本、可再生的原料来合成碳材料的工艺路线。近年来,生物质制备ECs电极材料变得越来越有吸引力。生物质是天然的可再生资源,具有均匀的孔隙率,丰富的原位杂原子掺杂(主要是N,O,B,S,P等)以及自然完美的层次结构。这不仅可以提供高的接触表面积、快速的电解液离子缓冲层和运输通道,而且还提供了一个额外的通过发生氧化还原反应而产生的赝电容、高的润湿性,确保了高的Ed。本文以农林废弃生物质为碳源制备多级孔先进碳材料,并将其组装成酸碱ECs器件,主要研究工作如下:1.以红薯干茎叶为原料,KOH为活化剂制备出具有3D碳纳米环结构的高性能ECs电极材料。材料的孔隙结构、比表面积以及表面元素含量可以通过控制活化温度和活化剂用量来调控。用性能最好的材料BSL-KC-1:4-700组装ECs器件,实现了材料和强酸强碱电解液的完美匹配,展示了优异的性能。在1 mol L-1 H2SO4电解液中在1 A g-1和30 A g-1的电流密度下,电极电容分别为532.5 F g-1和264.0 F g-1,电容保持率分别为95.1%(1000个循环)和91.7%(一万个循环);对称ECs器件的Ed为25.8 Wh kg-1,Pd为13068.0 W kg-1。在6 mol L-1KOH的电解液中,在1 A g-1的电流密度下比电容分别为350.0 F g-1,电容保持率分别为95.06%(1000个循环后)和91.1%(一万个循环);对称ECs器件的Ed为24.5W h kg-1Pd为12918.0 W kg-1。因此我们这项工作不但给出了利用廉价、环保的废弃生物质材料在温和条件下制备高性能ECs器件的电极材料的方法,而且也展示了材料潜在商业化应用前景。2.以凤尾花为碳源,KOH为活化剂设计并制备出了3D的多级孔结构碳材料,并探讨了活化温度和活化剂比例对材料结构和性能的影响。其中样品CCVSK4-700展示出高的BET比表面积(2675.3 m2g-1),高的比电容(555 F g-1)。3.棕榈废弃生物质经过碳化和KOH活化后,制备了可调控的3D多级分孔结构碳材料,其比表面积高达3156.4 m2g-1,孔体积为1.45 cm2g-1。其中样品FTHWK4-700在1 mol L-1 H2SO4电解液中,电流密度为1 A g-1的电容高达562 F g-1,对称ECs器件的Ed为29.3 Wh kg-1,Pd为9703.4 W kg-1。另外,在6 mol L-1 KOH电解液中,在电流密度为1 A g-1时电容为415 F g-1。
[Abstract]:......
【学位授予单位】:河南师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TM53;TQ127.11

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