杂原子掺杂大豆秸秆基多孔碳的制备及其超级电容器性能
发布时间：2021-01-12 20:24
超级电容器是介于传统电容器和电池之间的新型能量存储装置。超级电容器与传统电容器相比具有高的能量密度,与电池相比其具有高的功率密度及超长寿命。碳质材料被广泛用于超级电容器电极材料。制备高比表面积以及发达孔隙结构的多孔碳材料成为超级电容器电极材料的研究热点。生物质可再生、来源广泛且价格低廉,是制备多孔碳材料的首选碳源。本研究以大豆秸秆为碳前驱体,制备了一系列电化学性能优异的多孔碳材料,采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、物理吸附仪、X-射线衍射（XRD）仪、X-射线光电子能谱（XPS）仪、拉曼光谱（Raman）仪和接触角测定仪对多孔碳进行表征。研究内容和结果如下:（1）首先以硝酸镍为催化剂对大豆秸秆进行水热预处理得到互连纳米片,然后利用碳化、KOH活化对纳米片进行处理制备多孔互连碳纳米片（PICNs）。详细考察了水热温度、时长以及硝酸镍与大豆秸秆的质量比对PICNs电化学性能的影响。结果表明,PICNs独特的片状结构、高的比表面积以及适宜的杂原子含量保证了电解质离子进出电极材料的快速连续性,有利于提高碳材料的电化学表现。NNiSSC-400-700的比表面积和平均孔径为2223 m...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
EDLCs工作原理
1绪论3图1-2赝电容器工作原理Figure1-2Theworkprincipleoffaradaicpseudocapacitors1.1.2碳基电极材料超级电容器性能优劣在一定程度上取决于电极材料。通常，具有以下特征的多孔碳材料有利于能量存储：具有大的比表面积、合理的孔结构、互连的导电框架以及出色的理化稳定性。因此，不少研究者将研究的重难点放在制备具有纳米结构的多孔碳材料上，例如活性碳、碳纳米管和石墨烯的制备。（1）活性碳活性碳为超级电容器最常见的电极材料，其具有高的比表面积、丰富的孔结构以及广泛的来源。合成活性碳的方式有物理活化和化学活化两种，其中物理活化是将碳前驱体在高温下（1000oC左右）通入气体（CO2，H2，水蒸气等），使气体在材料内外表面进出进行造孔。而化学活化是在相对较低的温度下（700oC左右）通过活化剂（磷酸、氯气或氢氧化钾等）进行活化造孔。与物理活化相比，化学活化更加节能、方便甚至效果更优异，因此应用更广泛[33-35]。为了使制备的超级电容器即具有高的功率密度也具有高的能量密度，通常要求制备的电极材料即具有EDLC也具有赝电容。最常见引入赝电容的方法就是在多孔碳材料制备过程中引入杂原子（非碳原子）。杂原子以不同的官能团分布在多孔碳材料表面，使电极材料在充放电过程中发生法拉第反应，产生赝电容[36]。但多孔碳材料表面大多是具有疏水性的，这使得在高电流密度下电解质离子与电极材料的有效接触面积较少，不利于导电性的提高，而杂原子在多孔碳材料表面形成的官能团可以大大的改善多孔碳材料的亲水性，有利于电解质离子进出电极材料，进而提高材料的比电容量[37]。生物质废弃物是一种可持续的、可再生的富碳材料，已被广泛用与制备各种高附加值含碳产品[38,39]。当前焚烧是生物质废弃物的主要处理
Ａ鬋元素以及适当的去除这些杂原子显得尤为重要[40]。同时生物质废弃物具有相对稳定的三维结构，可以承受一定程度的机械、生物和化学侵蚀。生物质废弃物在低温碳化和高温活化中去除易于降解的成分（所有半纤维素和大部分纤维素以及部分木质素）后结构将变得更加稳定。由于去除了易于降解的成分，因此形成的多孔碳材料具有许多相互连接的孔结构[41]。生物质废弃物前驱体不仅包括植物也包括动物的废弃物，例如蟹壳、扇贝壳、虾壳、鸡蛋壳、骨头和头发等。林鹏[42]等人利用蟹壳为原料制备了多孔、高比表面积的3D碳材料（图1-3），其发达的孔结构能够保证在大电流密度下瞬间完成充放电活动。图1-3新策略和常规方法获得的样品的形态观察：（a-d）HPCs-3，（e）RH-AC和（f）CS-ACFigure1-3Morphologyobservationoftheresultantsamplesobtainedbynovelstrategyandconventionalmethod:(a-d)HPCs-3,(e)RH-ACsand(f)CS-ACs（2）碳纳米管碳纳米管(CNTs)是由石墨烯片卷曲后形成的纳米管状碳材料[43]。CNTs可以用来制备高比表面积、多孔甚至可拉伸的电极材料。CNTs作为电极材料使用时，需要对其表面进行修饰以调整电极特性以及氧化还原电势，使其能保持CNTs的导电性能又能够增大CNTs的比表面积。CNTs的纳米级分级多孔结构特别有助于提高电极材料的体积容量，因此可以为微电子应用创建更小的设备。CNTs可以与羟基和羧基等官能团相连，因此它的储能方式既可以为EDLC也可以是赝电容[44,45]。Gordana[46]等人制备了聚吡咯衍生的CNTs（图1-4），其比电容在扫描速率为5mVs-1可达到120Fg-1。但是CNTs具有制备成本较高、容易聚集等缺点，不利于实际应用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超级电容器储能机理[J]. 李春花,姚春梅,吕启松,杨光敏. 科技经济导刊. 2016(07)
[2]一种基于超级电容器组串并联切换的储能系统[J]. 任桂周,常思勤. 电工技术学报. 2014(01)
[3]美国麻省理工学院开发新型碳纳米管超级电容器[J]. 贾旭平. 电源技术. 2013(06)
[4]平行板类电容器电容的计算[J]. 梁成升. 物理与工程. 2009(01)
本文编号：2973488
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
EDLCs工作原理
1绪论3图1-2赝电容器工作原理Figure1-2Theworkprincipleoffaradaicpseudocapacitors1.1.2碳基电极材料超级电容器性能优劣在一定程度上取决于电极材料。通常，具有以下特征的多孔碳材料有利于能量存储：具有大的比表面积、合理的孔结构、互连的导电框架以及出色的理化稳定性。因此，不少研究者将研究的重难点放在制备具有纳米结构的多孔碳材料上，例如活性碳、碳纳米管和石墨烯的制备。（1）活性碳活性碳为超级电容器最常见的电极材料，其具有高的比表面积、丰富的孔结构以及广泛的来源。合成活性碳的方式有物理活化和化学活化两种，其中物理活化是将碳前驱体在高温下（1000oC左右）通入气体（CO2，H2，水蒸气等），使气体在材料内外表面进出进行造孔。而化学活化是在相对较低的温度下（700oC左右）通过活化剂（磷酸、氯气或氢氧化钾等）进行活化造孔。与物理活化相比，化学活化更加节能、方便甚至效果更优异，因此应用更广泛[33-35]。为了使制备的超级电容器即具有高的功率密度也具有高的能量密度，通常要求制备的电极材料即具有EDLC也具有赝电容。最常见引入赝电容的方法就是在多孔碳材料制备过程中引入杂原子（非碳原子）。杂原子以不同的官能团分布在多孔碳材料表面，使电极材料在充放电过程中发生法拉第反应，产生赝电容[36]。但多孔碳材料表面大多是具有疏水性的，这使得在高电流密度下电解质离子与电极材料的有效接触面积较少，不利于导电性的提高，而杂原子在多孔碳材料表面形成的官能团可以大大的改善多孔碳材料的亲水性，有利于电解质离子进出电极材料，进而提高材料的比电容量[37]。生物质废弃物是一种可持续的、可再生的富碳材料，已被广泛用与制备各种高附加值含碳产品[38,39]。当前焚烧是生物质废弃物的主要处理
Ａ鬋元素以及适当的去除这些杂原子显得尤为重要[40]。同时生物质废弃物具有相对稳定的三维结构，可以承受一定程度的机械、生物和化学侵蚀。生物质废弃物在低温碳化和高温活化中去除易于降解的成分（所有半纤维素和大部分纤维素以及部分木质素）后结构将变得更加稳定。由于去除了易于降解的成分，因此形成的多孔碳材料具有许多相互连接的孔结构[41]。生物质废弃物前驱体不仅包括植物也包括动物的废弃物，例如蟹壳、扇贝壳、虾壳、鸡蛋壳、骨头和头发等。林鹏[42]等人利用蟹壳为原料制备了多孔、高比表面积的3D碳材料（图1-3），其发达的孔结构能够保证在大电流密度下瞬间完成充放电活动。图1-3新策略和常规方法获得的样品的形态观察：（a-d）HPCs-3，（e）RH-AC和（f）CS-ACFigure1-3Morphologyobservationoftheresultantsamplesobtainedbynovelstrategyandconventionalmethod:(a-d)HPCs-3,(e)RH-ACsand(f)CS-ACs（2）碳纳米管碳纳米管(CNTs)是由石墨烯片卷曲后形成的纳米管状碳材料[43]。CNTs可以用来制备高比表面积、多孔甚至可拉伸的电极材料。CNTs作为电极材料使用时，需要对其表面进行修饰以调整电极特性以及氧化还原电势，使其能保持CNTs的导电性能又能够增大CNTs的比表面积。CNTs的纳米级分级多孔结构特别有助于提高电极材料的体积容量，因此可以为微电子应用创建更小的设备。CNTs可以与羟基和羧基等官能团相连，因此它的储能方式既可以为EDLC也可以是赝电容[44,45]。Gordana[46]等人制备了聚吡咯衍生的CNTs（图1-4），其比电容在扫描速率为5mVs-1可达到120Fg-1。但是CNTs具有制备成本较高、容易聚集等缺点，不利于实际应用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超级电容器储能机理[J]. 李春花,姚春梅,吕启松,杨光敏. 科技经济导刊. 2016(07)
[2]一种基于超级电容器组串并联切换的储能系统[J]. 任桂周,常思勤. 电工技术学报. 2014(01)
[3]美国麻省理工学院开发新型碳纳米管超级电容器[J]. 贾旭平. 电源技术. 2013(06)
[4]平行板类电容器电容的计算[J]. 梁成升. 物理与工程. 2009(01)
本文编号：2973488
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