细菌纤维素碳纳米纤维材料的制备与储能性能研究

发布时间：2017-10-07 00:32

  本文关键词：细菌纤维素碳纳米纤维材料的制备与储能性能研究

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【摘要】：超级电容器,又称为电化学超级电容器,是一种介于电化学电池和电容器之间的新型电化学储能电源。超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、安全性能高等优点,近年来受到各国科学家的广泛关注。从小到在存储器、电动玩具到大到通信设备、电动汽车电源,甚至航天器大功率启动系统,它都具有广泛的应用前景。但目前超级电容器的一些性能如比电容、大功率放电稳定性等离商业应用还有一定的距离。因此如何提高超级电容器的比电容和放电性能依然是个重大研究课题。超级电容器的电容由两部分组成,即表面双电层电容和体相赝电容。本文利用椰子水发酵产生的细菌纤维素(BC)作为前驱体,在氮气氛下经程序控温热碳化制备细菌纤维素碳纳米纤维(BCCNF),并作为提供表面双电层电容的结构组分,同时以Keggin型铁取代杂多酸盐Cs4PW11O39Fe(III)(H2O)(PW11Fe)作为赝电容组分,采用水热法制备了PW11Fe/BCCNF复合材料。制备材料用XRD、Raman、SEM、TEM、BET和元素分析等方法进行了表征,并用电化学方法如循环伏安、计时电量法等研究了它们的充放电性能、比电容和循环稳定性。实验结果表明,细菌纤维素碳化后得到的纳米纤维碳材料以介孔结构为主,比表面积和比电容值可达到756.82 m2·g-1和289 F·g-1,且经5000次充放电循环后,其电容值仍然保持80%以上的初始值。但这些碳材料的孔结构、比表面积、石墨化程度、充放电性能及循环稳定性与碳化温度密切相关,高的碳化温度(900°C)有利于孔结构的形成与稳定,可获得高的比表面积和充放电循环稳定性,但石墨化程度比较高,不利于电量的储存,比电容比较低。低的碳化温度(700°C)石墨化程度比较低,比电容比较高,但比表面积比较低,孔结构不稳定,充放电循环稳定性比较差。另一方面,比电容与选用细菌纤维素前驱体的厚度有关,例如厚度为0.4、0.3和0.2 cm的细菌纤维素碳纳米纤维,比电容分别为289、177和169 Fg-1。将PW11Fe用水热法负载到0.3 cm厚的细菌纤维素碳纳米纤维以后,所制备的PW11Fe/BCCNF复合材料,其比电容值为215.3 Fg-1,与177 Fg-1相比明显提高,且经过5000次循环,电容损失值仅为17%,具有较好的循环稳定性。
【关键词】：超级电容器 细菌纤维素 碳纳米纤维 Keggin型杂多酸盐 复合电极
【学位授予单位】：海南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TM53
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-37
• 1.1 前言12
• 1.2 超级电容器简介12-15
• 1.2.1 超级电容器的分类13
• 1.2.2 超级电容器的发展历程13-14
• 1.2.3 超级电容器的特点14-15
• 1.2.4 超级电容器现阶段的问题15
• 1.3 超级电容器电极材料的综述15-21
• 1.3.1 双电层电容器电极材料15-18
• 1.3.1.1 活性炭15
• 1.3.1.2 模板碳15-16
• 1.3.1.3 碳化物衍生碳16
• 1.3.1.4 石墨烯16-17
• 1.3.1.5 活性碳纤维17
• 1.3.1.6 双电层超级电容器的影响因素17-18
• 1.3.2 赝电容器电极材料18-21
• 1.3.2.1 RuO_218-19
• 1.3.2.2 NiO19-20
• 1.3.2.3 MnO_220-21
• 1.3.2.4 导电聚合物21
• 1.4 论文选题目的、意义和研究内容21-24
• 1.4.1 选题目的和意义21-22
• 1.4.2 实验特色22
• 1.4.3 研究内容22-24
• 参考文献24-37
• 第二章 实验条件和表征方法37-43
• 2.1 药品的合成37
• 2.1.1 Keggin型Na7PW_(11)O_(39)的合成37
• 2.1.2 Keggin型Na4PW_(11)O_(39)Fe(III)(H_2O)的合成37
• 2.2 实验表征方法37-41
• 2.2.1 材料的表征技术37-39
• 2.2.1.1 红外光谱仪38
• 2.2.1.2 热场发射扫描电子显微镜38
• 2.2.1.3 拉曼光谱仪38
• 2.2.1.4 X-射线衍射仪38
• 2.2.1.5 元素分析仪38-39
• 2.2.1.6 比表面积及孔径度分析仪39
• 2.2.2 电化学测量技术39-41
• 2.2.2.1 循环伏安39
• 2.2.2.2 恒电流充放电39-41
• 参考文献41-43
• 第三章 细菌纤维素碳纳米纤维材料的制备与表征43-59
• 3.1 引言43
• 3.2 实验部分43-46
• 3.2.1 试剂与仪器43-46
• 3.2.2 细菌纤维素多孔碳材料的制备46
• 3.2.3 细菌纤维素多孔碳电极的制备46
• 3.3 结果与讨论46-54
• 3.3.1 细菌纤维素碳纤维材料的表征46-50
• 3.3.2 细菌纤维素碳纳米纤维的电化学性能50-54
• 3.4 小结54-55
• 参考文献55-59
• 第四章 Cs_4PW_(11)O_(39)Fe(III)(H_2O)/碳纳米纤维复合电极的制备与表征59-71
• 4.1 引言59
• 4.2 实验部分59-63
• 4.2.1 试剂与仪器59-62
• 4.2.2 Cs_4PW_(11)O_(39)Fe(III)(H_2O)的合成62
• 4.2.3 Cs_4PW_(11)O_(39)Fe(III)(H_2O)/碳纳米纤维复合电极的制备62-63
• 4.3 结果与讨论63-66
• 4.3.1 Cs_4PW_(11)O_(39)Fe(III)(H_2O)/碳纳米纤维复合电极的表征63-64
• 4.3.2 Cs_4PW_(11)O_(39)Fe(III)(H_2O)/碳纳米纤维复合电极电化学性能64-66
• 4.4 小结66-68
• 参考文献68-71
• 第五章 总结与展望71-73
• 5.1 总结71-72
• 5.2 展望72-73
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果73-75
• 致谢75-76
• 附件76

【参考文献】

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