生物质基多孔炭材料的制备及性能

发布时间：2020-10-18 16:10

　　 超级电容器作为一种能量存储设备已经引起广泛的关注,其最核心的组件为电极材料。炭材料因其优异的性能而被用作超级电容器电极材料。然而,大部分炭材料复杂的制备过程和高昂的价格限制了它们的商业运用。生物质基多孔炭材料由于生产过程简单、设备要求低和价格低廉能够作为高效的超级电容器电极材料。本论文分别以魔芋粉和西瓜皮为原料,通过常压高温热解-活化的工艺制备了成本低廉、环境友好的生物质多孔炭,并且将聚苯胺生长到西瓜皮基生物质多孔炭上获得了生物质炭/聚苯胺纳米复合物,系统研究了生物质多孔炭、生物质炭/聚苯胺纳米复合物作为超级电容器电极材料的电化学性能。论文的主要内容如下:(1)以魔芋粉为原料,通过魔芋粉的预炭化和KOH活化的工艺制备了价格低廉、环境友好的生物质多孔炭。预炭化产物与KOH活化剂的质量比为1:5时获得的生物质多孔炭ACK-5拥有1403.3 m2 g-1的比表面积。将ACK-5作为超级电容器电极材料,在6 M KOH电解液中,电流密度为1 A g-1时获得了216F g-1的比电容。经过5000次的循环,该电极材料仍保持93.7%的循环稳定性。以对苯二胺作为氧化还原介质加入到6M KOH电解液中时,该电极材料获得的最大比电容可达609 F g-1 ACK-5//ACK-5对称超级电容器在0.25kW kg-1功率密度下获得了9.2Wh kg-1的能量密度。(2)以西瓜皮为原料,通过对西瓜皮的一步热解-活化工艺制备得到自身氮掺杂的生物质多孔炭材料。西瓜皮与KOH活化剂的质量比为1:2时获得的生物质多孔炭ACw-2拥有1303.3m2 g-1的比表面积和大量的含氮、含氧官能团。将ACw-2作为超级电容器电极材料,电流密度为1 A g-1时,在6M KOH电解液中获得了260F g-1的比电容。在扫描速率100mV s-1下,经过5000次的循环,该电极材料的电容保留率仍维持在93.8%。以对苯二胺作为氧化还原介质加入到在6 M KOH电解液中时,该电极材料获得的最大比电容为852F g-1,ACw-2//ACw-2对称超级电容器获得了 12.9Wh kg-1的能量密度。(3)通过原位聚合法,将聚苯胺负载到ACw-2生物质多孔炭表面获得一种高性能的生物质炭/聚苯胺纳米复合物。ACw-2与聚苯胺的质量比为20:80时获得ACPA-2样品,由于静电和范德华力的作用,聚苯胺纳米纤维状阵列均匀生长在ACw-2表面。以ACPA-2作为超级电容器电极材料,在电流密度为1 A g-1时获得了520F g-1的比电容。经过2000次的循环,该电极材料仍保持85.3%的循环稳定性。另外,以ACPA-2作为正极,ACw-2为负极装配成不对称超级电容器,获得了 1.8V的电势窗和21.2Wh kg-1的能量密度。因此,生物质多孔炭ACK-5、ACW-2和AC PA-2复合物均可以作为性能优异的超级电容器的电极材料。
【学位单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O613.71;TB383.4
【部分图文】：

图ｉ－ｉ片层状生物质炭形貌［３ｗｉ］??Ｆｉｇ．?１－１?Ｔｈｅ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｆｌａｋｅ?ｂｉｏｍａｓｓ?ｃｈａｒｃｏａｌ１１０?３１１??（２）球状生物质炭??生物质炭球之间往往不会发生堆叠，拥有较高的比表面积。Ｐａｒｉ等［３２］将木薯粉在２５０热处理８?ｈ，然后将水热处理的炭与ＫＯＨ共混，在８００?°Ｃ下加热活化，盐酸洗涤后得状生物质炭。形貌如图ｌ－２（ａ）所示。获得的生物质炭球的拥有９８６?ｍ２?ｇ—１的比表面积，直径在１０＾！１１左右。（＾３１＾等［３３］将马铃薯淀粉在１８０°（：水热处理１６?１１，将水热处理后氮气气氛下９００?°Ｃ高温加热后获得球状的生物质炭。形貌如图ｌ－２（ｂ）所示。所得到的物质炭拥有４５６?ｍ２?ｇ—１的比表面积，球的直径在２５０?ｎｍ左右。??

?ｉＨＢＰｈｐｉｉｉＨｐ、．??图１－３纤维状生物质炭形貌［３４’３５］??Ｆｉｇ．?１－３?Ｔｈｅ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｆｉｂｒｏｕｓ?ｂｉｏｍａｓｓ?ｃｈａｒｃｏａｌ＾４?ｊ５＾??（４）多孔生物质炭??生物质多孔炭具有大的比表面积和发达的孔结构，并且能够再生和绿色环保，拥有很??多的应用领域。１＾等［３６］以香蕉皮为生物质炭的原料，将经过预处理的香蕉皮与ＺｎＮ０３浸泡??一周，然后将其与２－氨基酚共混，反应一周后，高温炭化后获得多孔的生物质炭。形貌如??图ｌ－４（ａ）所示。获得的多孔生物质炭的比表面积高达１６５０?ｍ２?ｇ＇孔径为３．０１?ｎｍ左右。Ｈａｏ??等１２３１将干燥的甘蔗渣经过预处理，再用冷冻千燥的方法获得气凝胶。先将气凝胶在８００?°Ｃ??进行高温热解，再将热解产物与ＫＯＨ共混，在７００?°Ｃ进行活化，最后用盐酸进行洗涤。形??貌如图ｌ－４（ｂ）所示。获得的样品比表面积值为１８９２．４?ｍ２＾，平均孔径为２?ｎｍ。??图１－４多孔状生物质炭形貌［２３’３６］??Ｆｉｇ．?１?－４?Ｔｈｅ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｐｏｒｏｕｓ?ｂｉｏｍａｓｓ?ｃｈａｒｃｏａｌ＾３＇３６＇??１．５生物质多孔炭??生物质多孔炭作为生物质炭材料的重要组成部分，除了生物质炭较大的比表面积、来??源广泛、表面丰富的官能团和稳定的物理化学性能的特点外

进行高温热解，再将热解产物与ＫＯＨ共混，在７００?°Ｃ进行活化，最后用盐酸进行洗涤。形??貌如图ｌ－４（ｂ）所示。获得的样品比表面积值为１８９２．４?ｍ２＾，平均孔径为２?ｎｍ。??图１－４多孔状生物质炭形貌［２３’３６］??Ｆｉｇ．?１?－４?Ｔｈｅ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｐｏｒｏｕｓ?ｂｉｏｍａｓｓ?ｃｈａｒｃｏａｌ＾３＇３６＇??１．５生物质多孔炭??生物质多孔炭作为生物质炭材料的重要组成部分，除了生物质炭较大的比表面积、来??源广泛、表面丰富的官能团和稳定的物理化学性能的特点外，还具有发达的孔隙结构??６??
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本文编号：2846520