废糖液制备双电层电容器用多孔炭材料

发布时间：2020-05-19 12:13

【摘要】：维生素C工业生产过程中会产生大量废糖液(主要成分为2-酮基-L-古龙酸),其作为一种强酸性的有机废弃物难以被有效处理和直接利用。由于2-酮基-L-古龙酸的分子结构类似于葡萄糖,能够通过简易的水热碳化和化学活化制得多孔炭球。此外,双电层电容器作为极具发展潜力新型储能装置,具有充放电速度快、功率密度高、循环寿命长和绿色环保等优点。多孔炭材料因其比表面积高、孔隙发达和性质稳定等优点,成为一种较为理想的双电层电容器电极材料,而多孔炭球不仅具有以上优点,同时兼备球型外貌和机械强度高等特点,电化学性能较为理想。另外,炭微球经过氧化预处理,能够有效降低活化难度和增加含氧量,而提高制得的多孔炭球的比表面积和润湿性,进而改善双电层电化学性能。本论文利用废糖液为前驱体制备了颗粒状多孔炭和多孔炭微球,用作双电层电容器炭基电极材料,并深入探究了炭微球的高温氧化改性对其活化难度和制备的多孔炭球的电化学性能的影响。主要内容包括以下三个部分:第一部分,制备多孔炭。首先将废糖液通过鼓风干燥制得废糖渣,再通过传统的炭化/活化两步法制备不规则颗粒状多孔炭,,详细地讨论了炭化温度、活化温度、活化时间和活化比例(KOH的质量/焦的质量)对多孔炭的孔隙结构和电化学性能的影响。制得的多孔炭均具有良好的电化学性能,尤其是当炭化温度为600 ~oC,活化温度为700 ~oC,活化比例为3/1和活化时间为2.5 h时制备的多孔炭具有较好的电化学性能,其比电容可达273.3 F/g(40 mA/g),且比表面积最大(1953 m~2/g)。为了确定多孔炭电极的电化学稳定性,在电流密度为1.5 A/g的条件下循环了5000次,其电容保持率为90.1%,能量密度为5.09 Wh/kg。第二部分,制备多孔炭球。废糖液通过抽滤预处理,除去不可溶的杂质,提高炭球的收率,并采用水热碳化和KOH活化,成功制备了多孔炭球。另外,本文推测了废糖液制备炭球的可能的成球机理,也研究了水热条件和活化条件对多孔炭球电化学性能的影响。当水热条件为水热碳化温度为180 ~oC,水热碳化时间为12 h和水热比例为2:3(废糖液体积/去离子水体积)时,在固定活化条件下,制备的多孔炭球具有较高的比电容值。当活化温度和活化比例改变时,多孔炭球的比电容值最高可达296.1 F/g(40 mA/g)。同时,在电流密度为1.5 A/g下循环5000次后,呈现了良好的循环性能和容量保持率(89.6%)。第三部分,对炭球高温氧化再活化,制备多孔炭球。利用水热碳化、炭化和KOH活化制备多孔炭球。在炭化之前,使用不同质量的Fe(NO_3)_3?9H_2O与定量的炭球均匀混合。制备的多孔炭球具有发达的孔隙结构和高比表面积(2478m~2/g)。同时,多孔炭球的孔结构可以通过控制炭化条件进行调整(包括炭化温度和Fe(NO_3)_3?9H_2O的负载量)。相较于直接炭化,Fe(NO_3)_3?9H_2O作为氧化剂的加入明显增大了多孔炭球的比表面积和比电容。另外,在电流密度为2 A/g的条件下,循环8000次后,多孔炭球的比电容值几乎没有衰减。综上所述,本研究探究了制备条件对多孔炭材料的孔隙结构和电化学性能的影响,为废糖液制备高品质炭电极材料工艺的开发提供了理论依据和技术支持。
【图文】：

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硕士学位论文型认为溶液中的反离子并非平行地被束缚在与质点表面相邻的液相中，，而是扩散分布在质点周围的空间内，其浓度随着与质点间距离的增大而减小。Stern 结合Helmholtz 模型和 Gouy-Chapman 模型提出了 Stern 模型[12]，指出在电极和电解液界面存在两层，内层是紧密层（Stern 层），电势变化与 Helmholtz 模型类似；外层为扩散层，结构类似 Gouy-Chapman 模型中的扩散层。在紧密层中，溶剂化离子强烈地吸附在电极表面，而扩散层中的离子具有连续的分布。因此电极和电解液形成的界面电容包括两部分，即紧密层双电层电容和扩散层电容。三种双电层结构如图 1-1 所示。

炭球,核壳结构,炭微球

图 1-3 炭材料表面含氧官能团的可能结构Figure 1-3 Possible structure of surface oxygenous functions on carbon1.4 炭微球简介（Introduction of Carbon Sphere）炭微球作为一种重要的炭材料，由于具有优异的耐热性、耐腐蚀性、可调控的表面积、较高的堆积密度和较高的机械强度等优点，引起了相关研究人员的广泛关注，其在纳米器件、能量存储、分离或作为润滑材料等方面都有巨大的应用前景[43]。炭微球可以由多种前驱体制得，如中间相沥青、生物质和聚合物等，且通常炭微球的制备流程中都包含成球的程序。炭微球可以分为实心炭球[44]、中空炭球[45]和核壳结构炭球[46]（如图 1-4）。a b c
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TB383.4;TM53

【参考文献】