植物基分级多孔炭的制备及其超级电容器性能研究

发布时间：2020-06-20 08:36

【摘要】：超级电容器作为高效的能量存储系统已经引起越来越多的关注,具有比大多数电池更快的充放电速率以及更优异的循环稳定性,其电化学性能主要由所用的电极材料决定。目前,超级电容器应用最广泛的电极材料为多孔炭材料,其具有发达的孔结构、可调控的形貌、广泛的来源、简单的制备工艺、低廉的成本以及稳定的电化学性能等优点。随着人类对化石燃料的过度开发和消耗,以生物质为前驱体制备多孔炭材料受到了越来越多的关注。本论文以不同生物质为前驱体,采用不同的活化方法制备具有特殊形貌的多孔炭材料。重点研究了前驱体以及制备条件对多孔炭材料的孔结构、表面化学状态、导电性及与其理化性质相关的电化学性能的影响。具体研究内容如下:第三章,以生物质大麻杆茎为原料,粉碎后直接与KOH混合,在NH3气氛下活化制备了比表面积大、氮含量高、氧含量高、电导率高的多孔炭材料。研究发现,NH3不仅能够有效地增强KOH的活化作用,还可以作为氮源在炭材料表面引入氮元素。通过KOH和NH3的双活化制备样品的性能明显优于仅由KOH或NH3活化的样品。双活化样品表现出高的比表面积(1949 m2 g-1)、分层级的孔结构、高电导率(3.5 Scm-1)和高氮含量(4.4 wt.%)。在6 MKOH电解液三电极体系中显示出高的比容量(352 Fg-1 0.1Ag-1)以及优异的倍率性能(即使在电流密度为30Ag-1时仍具有67%的电容保留率)。此外,组装的对称超级电容器在离子液体(EMIMTFSI,工作电压可以达到3.8V)电解液体系中显示出了 99.5Wh kg-1的高能量密度;即使在21660 W kg-1的高功率密度下,其能量密度仍能保持在27.7 Wh kg-1。该装置只需要充电4.4秒,就可以将一组红光二极管点亮超过8分钟。第四部分,以具有蜂窝状结构的大豆根为原料,利用化学活化法合成了具有三维(3D)结构的分层级多孔炭材料。所制备的样品具有大的比表面积(2143 m2 g-1)、3D分层级的孔结构以及高的石墨化程度。作为超级电容器电极材料显示了优异的电化学性能。在以6 M KOH为电解液的两电极体系中显示了高的比电容(276 F g-1)、出色的倍率性能、优异的循环稳定性(在5 A g-1的10000次循环后保留率为98%)以及高的能量密度(9.6 Wh kg-1)。为了进一步提高其能量密度,以纯的离子液体(EMIM BF4)为电解液组装对称超级电容器,其电势窗口可达3.6V,能量密度可达100.5Whkg-1。另外,即使在63000W kg-1的超高功率密度时,仍然可以提供40.7 Wh kg-1的能量密度。这以结果与镍氢电池的能量密度相当,但超级电容器可以在数秒内完成充电或放电。在第五章中,通过对银耳进行高温炭化和KOH活化,获得了超高比表面积的多孔炭材料。系统地研究了 KOH用量对表面化学组成和孔结构的影响。所制备的样品具有超高的比表面积(3760 m2 g-1)、丰富的介孔含量以及高的表面氧含量。因此,制备样品在水系电解液中表现出高的比电容、优异的循环稳定性以及良好的倍率性能。此外,以纯EMIM BF4为电解液组装对称两电极电容器,工作电压可以达到3 V,最大的能量密度达到65.6 Wh kg-1,即使功率密度为19700 W kg-1时,能量密度仍然保持在 28 Wh kg-1。在第六章中,以酶解木质素为前驱体通过水热炭化、活化的方法制备了 3D分层级多孔炭材料。在这种方法中,水热炭化可以在材料表面产生大量的表面孔,而KOH活化步骤使得这些表面孔中又产生丰富的相互交联大孔,并在孔壁和表面形成丰富的微孔和小介孔。制备的样品表现出独特的3D分层级孔结构、大比表面积(1660 m2 g-1)和高导电性(5.4 S cm-1)。因此,该样品在6MKOH中的三电极体系中表现出超高的比电容(420F g-1)、优异的倍率性能和出色的循环稳定性。另外,组装的对称超级电容器在离子液体体系中显示了 46.8 Wh kg-1的能量密度,功率密度为25400 W kg-1时,其能量密度仍能保持在22.9Whkg-1。以上结果表明,以低成本、环境友好和可再生的生物质为前驱体制备的多孔炭作为高性能超级电容器电极材料表现出了蓬勃的发展前景。
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11;TM53
【图文】：

第一章绪论量密度为４１Ｗｈｋｇ＇功率密度达到２６ｋＷｋｇ＇尽管模板法可以序，超级电容器性能优异的有序介孔炭材料，但无论是软模板法还显的缺点。其中软模板法制备收率较低，成本较高，可用的软模板板法制备和调控过程复杂，并且纳米模板很难均匀有效的分散在生得构建高度有序的结构难度较大。另外，在去除硬模板的过程中不或者强碱（ＨＦ，ＮａＯＨ），很难达到绿色环保的要求。逡逑物质多孔炭作为超级电容器电极材料的研究逡逑

生物质本身所具有的多孔结构不仅有利于制备具有特殊形貌的多孔炭材料，还可逡逑以作为中空的结构来负载金属氧化物，引入赝电容，从而提高超级电容器的性能。Ｃｈｅｎ逡逑［％］等据此设计了全木结构的非对称超级电容器。如图１－５所示，这种超级电容器基于逡逑椴木基多孔炭为阳极、锻木基多孔炭负载Ｍｎ０２为阴极，锻木薄片为隔膜。全木结构逡逑的非对称器件具有理想厚度（厚度仅为ｌｍｍ），低弯曲度，高电子率和离子电导率以逡逑及高度的稳定性。另外充分利用椴木本身通道结构优势使得非对称对容器具有高的面逡逑积质量负载（阳极高达３０ｍｇｃｍ＿２；多孔炭／ＭｎＣｈ复合阴极为７５ｍｇｃｍ＇２）。在电流密逡逑度为１邋ｍＡｃｍ—２时电容高达３．６Ｆｃｍｆ２，最高能量密度为１．６ｍＷｈｃｍ＿２（１０４４ｍＷｃｍ＿２），逡逑最大功率密度为２４邋ＷｃｎＴ２；甚至在高的负载量（７５邋ｍｇ邋ｃｎＴ２）时仍能表现出优异的循逡逑环稳定性。逡逑研究者在不改变电极材料的化学组成的情况下单独改变电极和器件的结构。通过逡逑利用植物本身的多孔结构为骨架设计开发具有高度环境友好和可降解的全木结构的逡逑超级电容器，为开发的新理念、高性能能量存储器件指明了方向。逡逑１１逡逑

本文编号：2722158