生物质基多孔碳材料的绿色制备及其超电容性能研究

发布时间：2020-06-12 05:09

【摘要】：当前具有功率密度高、循环寿命长、快速充放电及绿色环保等优点的超级电容器作为新型储能装置已步入了高速发展和应用阶段。然而其相对较低的能量密度限制了其进一步应用。超级电容器的性能主要受电极材料性能影响,碳材料是使用最为广泛的电极材料之一。国内外生物质多孔碳的制备方法多使用强酸,强碱,制备步骤复杂,成本高且对环境影响较大。如何在提高碳材料电化学性能的同时,采用环境友好的制备方法来降低成本成为目前亟待解决的重要课题。本文提出两种绿色环保的方法,分别以天然生物基材料开心果壳和核桃壳为碳源,制备了两种生物质多孔碳材料并研究了其作为超级电容器电极材料的性能,为低成本多孔碳电极材料的绿色制备提供了新途径。主要研究内容如下:1、以开心果壳为碳源,采用超临界水热和KOH活化方法制备开心果壳基多孔碳材料,并对材料进行物理表征和电化学测试。该方法大幅度减少了传统活化方法中强碱的使用量,测试结果表明,样品S1显示电化学性能最好,在0.5 Ag~(-1)时具有232 Fg~(-1)(260 Fcm~(-3))的高电容,在100 Ag~(-1)仍然具有144 Fg~(-1)(161 Fcm~(-3))的电容。在循环10000次之后,比电容保持率在90%以上。双电极对称电池测试表明材料在超级电容器上的潜在应用价值。2、以核桃壳为碳源,植酸为活化剂,在氮气氛围中煅烧制备了核桃壳基磷掺杂多孔碳材料。研究表明,添加适量的植酸,所制备的材料的石墨化程度增高,样品的孔状结构明显增多,但是当植酸添加量过多时其石墨化程度反而降低,石墨的平面结构被破坏。样品A1电化学性能表现最佳,其比表面积为762 m~2g~(-1),微孔比表面积达到581 m~2g~(-1),在1M H_2SO_4电解液三电极体系中显示出高的比电容(320 Fg~(-1),0.5 Ag~(-1))以及优异的倍率性能,在20 Ag~(-1)时仍具有73%的电容保留率。交流阻抗测试结果表明材料具有较低的电阻。在10 Ag~(-1)的电流密度下循环10000次后电容保持率为98%,表明材料具有良好的循环性能。
【图文】：

微观形态,双层电容器,工作原理图

图 1-1 双层电容器工作原理图在放电时，氧化还原离子被转移到电解质溶液中以实现电能的释放。导电聚物好的导电性，而且它可以用作电极材料。用作超级电容器的电极材料的常用电聚合物是聚乙炔，聚苯胺等。这些材料拥有较强的氧化还原可逆性和导电性，的离子迁移速率，快速充放电等特点，从而在提高电容量和能量密度上有很大优势。但是，影响赝电容器材料的性能受很多因素影响，主要因素有结构形态，化还原可逆性，导电性等。从结构方面来讲，如果材料没有纳米微观形态和优的孔，则电解质离子不能顺畅的通过，氧化还原反应速率降低。同时，赝电容材料的要求要远高于双电层电容器，比如，，如何有效控制化学反应的容易性和逆性。双层电容器的工作机理是基于界面双层理论，通过电解质与电极材料界面形的双层存储电荷，实现储能，如图 1-1 所示。当施加的电压被去除和放电时，

SEM图,活性炭,样品,体积

21图 3.1 （a）为 S0 的 SEM 图；（b）为 S1 的 SEM 图；（c）为 S2 的 SEM 图；（d）为 S3的 SEM 图；（e）S1 的 TEM 图；（f）S1 的 HRTEM 图图 3.1 展示了不同配比所制得多孔碳的扫描电镜图和透射电镜图。图（a）中插图表示的是所制得多孔碳与 YP-50 活性炭相同重量的体积差异，分析得出，样品的密度均比 YP-50 活性炭密度大。质量相同的时候，S1 的体积约为 YP-50的一半。与干燥‖活化样品的层状形态完全不同，样品呈现不规则的颗粒形状。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ127.11;TM53

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