瓜尔豆胶基多孔炭结构与组分调控及其储能应用研究

发布时间：2020-06-01 17:27

【摘要】：新型储能系统,如超级电容器、锂离子电池、锂硫电池等性能在很大程度上取决于先进电极材料的合成以及结构设计。多孔炭材料作为一种理想的电极材料,具有密度低、价格低廉、结构可控、导电性好等优势,被认为是极具市场潜力的电极材料体系。本论文以生物质多糖-瓜尔豆胶作为炭源,利用瓜尔豆胶与金属离子在碱性环境中的迅凝效应,通过高温裂解与活化过程,快速、高效的获得多孔分级结构炭球,并将其作为基体材料,研究其储能性质及储能机理,主要研究结果如下:(1)瓜尔豆胶凝胶行为研究:在瓜尔豆胶溶液体系中引入不同浓度以及不同种类的金属离子,如Cu~(2+)、Fe~(3+)、Ni~(2+)、Co~(2+)等,研究混合体系在强碱溶液中的凝胶行为变化,探索瓜尔豆胶对金属离子的选择性交联效应的差异性。结果表明,瓜尔豆胶对与Cu~(2+)表现出最强的交联选择性,且离子浓度越高,凝胶速度越快。(2)多孔炭球作为超级电容器电极材料-结构调控及储能机理研究:通过滴注的方法将瓜尔豆胶/Cu~(2+)混合溶液快速滴加至KOH溶液中,通过高温的煅烧获得分级结构多孔炭球,并细致考察了炭球的结构调控和形成过程、孔隙形成机理以及电化学性能。研究结果表明,该方法获得的多孔炭球在1 A·g~(-1)电流密度下,其质量比容量高达280 F·g~(-1),其优异的倍率性能以及循环稳定性表明该材料是一种良好的超级电容器电极材料;(3)氮掺杂多孔炭球作为锂硫电池电极材料及其电化学性能研究:采用三聚氰胺作为氮源,通过瓜尔豆胶/Cu~(2+)混合溶液在强碱溶液中的迅凝效应获得炭球前驱体,利用高温煅烧以及KOH活化获得N掺杂多孔炭球,并详细研究了三聚氰胺的引入对终产物组分、孔隙结构以及电化学性能的影响。研究结果表明,获得的炭材料具有高的比表面积(2610 m~2·g~(-1)),且在0.2 C倍率条件下,首次放电比容量高达1243 mAh·g~(-1),且具有良好的循环稳定性。(4)过渡金属/多孔炭复合材料体系作为锂硫电池电极材料及其电化学性能研究:将碳酸氢氨作为造孔剂,利用瓜尔豆胶在金属离子以及强碱溶液共同存在条件下发生的迅凝效应,快速获得凝胶块体材料,在经过高温煅烧过程中获得过渡金属/多孔炭球复合材料体系(Ni/C、Co/C、Cu/C以及Fe/C)。电化学分析结果表明,作为锂硫电池电极材料,复合材料体系相比于单纯的多孔炭球体系,表现出更为优异的倍率性能及循环稳定性。
【图文】：

多孔炭,球形,多孔炭材料

3炭材料，并将其直径控制在80 170nm的范围内，这种球形结构赋予材料高的比表面积和大的孔体积，使其能够高效的吸附一些庞大的染料分子（图1.1a）。Wang课题组[41]通过模板法获得由交叉纳米片组成的花状多孔炭材料，大大改善了电解液离子的传输与润湿，使其在电化学电容器应用中表现出高的比容量（294F·g-1）和良好的倍率性能（图1.1b）。Wang 等[42]利用柚子皮成功合成片状多孔炭材料，作为超级电容器材料表现出异常的循环稳定性，在电流密度为 2A·g-1的条件下下循环 10000圈后其比容量几乎没有出现衰减（图1.1c）。Song等[43]采用静电纺丝制备出了大量具有纤维状结构的炭纳米纤维材料，并将其用做高性能的锂硫电池硫载体材料，在0.5C 下进行循环500次时，每个循环表现出0.053％的低衰减率（图1.1d）。图 1.1 不同形貌的多孔炭: (a) 球形[40](b) 花状[41](c) 片状[42](d) 纤维[43]外观为球形的多孔炭，具有振实密度高的优点，作为电极材料使用可以提高储能容量。因此本论文采用胶液分散的方法制备球形多孔炭。1.3 多孔炭材料合成方法1.3.1 活化法活化法是指在一定条件下

示意图,示意图,模板剂,孔径分布

其主要合成过程如图1.2所示[51]。在复制过程中，硬模板和炭前体之间几乎没有相互化学作用。因此，采用硬模板合成炭材料的孔径分布及大小主要由无机模板来决定，可以选用不同的模板剂或通过调节模板剂的合成条件来控制炭材料的孔径分布。Joo 等[52]通过控制十六烷基三甲基溴化铵（HTAB）的比例，系统地合成了一系列SBA-15 型有序二氧化硅材料，其孔壁厚度为1.4 2.2nm。然后，使用这些二氧化硅模板，他们能够定制合成具有2.2 3.3nm介孔尺寸的CMK-3材料。Fuertes 等[53]报道了一种有序介孔炭，孔径约为4nm，通过使用MSU-H二氧化硅作为模板来合成的。图 1.2 硬模板法合成示意图[51]使用硬模板法可以获得孔径分布均匀的有序多孔炭材料，而且，由于采用固定的模板结构，使得合成易于控制，同时还具有一定的可预见性。但是，硬模板法的合成是通过消耗大量昂贵的硬模板来实现的，导致其成本大大提高。另外，硬模板法还存在合成工艺复杂，时间消耗长等缺点，，使其应用受到了限制。（2）软模板法软模板法主要是以两亲性分子为模板剂
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ127.11;TM912;TM53

【相似文献】