杂原子掺杂生物质多孔碳的制备及在超级电容器中的应用
发布时间：2021-09-18 17:34
超级电容器的性能主要由电极决定,多孔碳材料因其高的比表面积以及发达的孔隙成为了理想的电极材料候选。多孔碳可由自然界广泛存在的生物质经热化学转化以及后续活化过程获取。虽然这一制备路线简易经济且日臻成熟,现阶段其仍存在能量密度不足的瓶颈。而硼、磷、氮、氧等杂原子掺杂已被证明为一种提升多孔碳电化学性能的有效方式,据此,本文选取了不同生物质并分别通过掺杂剂以及自掺杂的方法在活化过程中对其引入杂原子,从而制备了拥有高能量密度及倍率性能,能稳定循环的多孔碳电极材料,并对它们的电容行为进行了详细考察:（1）选取了具有一维性质的生物质苎麻纤维为前驱体,氯化锌为活化剂,硼酸与尿素分别作为硼源与氮源,采用一步法直接制备了硼氮共掺杂多孔碳材料。实验结果证明相较于单元素掺杂,共掺杂的手段明显地改善了硼的掺杂情况,从而改善了碳材料的导电性与润湿性,使得衍生电极在比表面积并不突出(600900 m2g-1)的情况下依然能拥有高的比电容以及良好的双电容特性,在三电极系统下,6 M KOH电解液中比电容达到279 F g-1。而在...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1双电层电容器示意图
中北大学论文3释放出来。这种法拉第类型的电荷存储现象被称为赝电容，从而产生了另一类超级电容器——赝电容电容器（Pseudocapacitors）。在机理上它与电池十分类似，不同的是，赝电容储电的机理与EDLCs一样都属于表面现象，它们对表面积的依赖关系是一致的。而其根本机理与EDLC还是有很大的不同，由于EDLC遵循的是纯静电现象，其电荷存储完全可逆，而在赝电容则不是所有存储的电荷都能在放电过程中被释放。即使是最佳可逆组合下的电极材料与电解质，化学反应也不可能达到100%的可逆。这是有源材料不可避免的损耗，随着循环次数的增加，最大比电容将减小，影响赝电容的循环稳定性。但赝电容材料包括金属氧化物/氢氧化物以及导电聚合物一般来说在容量上的表现都要明显优于双电层电容。以上即为超级电容器的两种基本储能原理。为了解决相对低能量密度的挑战，此领域的一种方法是发展非对称超级电容器。如水系对称系统的电压一般被限制在约1.2V，而非对称超级电容器可以充分地利用正负极两个不同的电位窗口，总体将其扩展到2.0V以上，则正比于电位窗口的平方的能量密度得到提升。一般来说非对称超级电容器可分为两类，第一种为带有两个不同的电容型电极的系统，第二种被称为混合电容器，即一个电极基于电容机制储存电荷而另一个通过电池类型的法拉第法储存电荷的装置。电容式非对称超级电容器充放电特性与对称型的类似而混合型超级电容器与理想的电容性特征有明显的偏差。而相同的是，二者均利用负极加速电荷输运而利用正极提高整体储电容量。非对称超级电容器这种配置已成为最近研究的热点，并很有可能商业化发展。综上，超级电容器的分类归纳于图1.2中。图1.2超级电容器的分类Fig1.2Classificationofsupercapacitors
中北大学论文23NPC，不含硼酸及尿素，只通过氯化锌活化的样品标记为PC。3.3材料表征结果与分析3.3.1样品形貌与结构分析所有的样品采用了相同的活化条件，得到了相似的微观形貌。图3.1（b）显示了BNPC的SEM电子显微镜图像，可以看出与图3.1（a）中原始苎麻纤维相同分辨率大小下相比较，微观形貌非常相似，说明了苎麻衍生碳很好地继承了天然苎麻的一维性质。原始苎麻纤维并没有多孔的性质以及高的比表面积，不能适用于超级电容器电极，而在经过活化后，高倍率TEM图像下可以看到所得炭材料上密集的微孔，为电荷储存的主要场所，即比电容的主要来源。图3.1（a）原始苎麻纤维的SEM图像（b）NBPC的SEM图像（c,d）NBPC的TEM图像Fig.3.1(a)SEMimageofrawramiefibre(b)SEMimageofNBPC(c，d)TEMimageofNBPC所制备的苎麻衍生碳除了固有的大表面积以及热稳定性外，其一维性质将在制备过程中以及后续它对应的电极材料提供一系列的优点。首先，作为天然生物质材料，苎麻
本文编号：3400555
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1双电层电容器示意图
中北大学论文3释放出来。这种法拉第类型的电荷存储现象被称为赝电容，从而产生了另一类超级电容器——赝电容电容器（Pseudocapacitors）。在机理上它与电池十分类似，不同的是，赝电容储电的机理与EDLCs一样都属于表面现象，它们对表面积的依赖关系是一致的。而其根本机理与EDLC还是有很大的不同，由于EDLC遵循的是纯静电现象，其电荷存储完全可逆，而在赝电容则不是所有存储的电荷都能在放电过程中被释放。即使是最佳可逆组合下的电极材料与电解质，化学反应也不可能达到100%的可逆。这是有源材料不可避免的损耗，随着循环次数的增加，最大比电容将减小，影响赝电容的循环稳定性。但赝电容材料包括金属氧化物/氢氧化物以及导电聚合物一般来说在容量上的表现都要明显优于双电层电容。以上即为超级电容器的两种基本储能原理。为了解决相对低能量密度的挑战，此领域的一种方法是发展非对称超级电容器。如水系对称系统的电压一般被限制在约1.2V，而非对称超级电容器可以充分地利用正负极两个不同的电位窗口，总体将其扩展到2.0V以上，则正比于电位窗口的平方的能量密度得到提升。一般来说非对称超级电容器可分为两类，第一种为带有两个不同的电容型电极的系统，第二种被称为混合电容器，即一个电极基于电容机制储存电荷而另一个通过电池类型的法拉第法储存电荷的装置。电容式非对称超级电容器充放电特性与对称型的类似而混合型超级电容器与理想的电容性特征有明显的偏差。而相同的是，二者均利用负极加速电荷输运而利用正极提高整体储电容量。非对称超级电容器这种配置已成为最近研究的热点，并很有可能商业化发展。综上，超级电容器的分类归纳于图1.2中。图1.2超级电容器的分类Fig1.2Classificationofsupercapacitors
中北大学论文23NPC，不含硼酸及尿素，只通过氯化锌活化的样品标记为PC。3.3材料表征结果与分析3.3.1样品形貌与结构分析所有的样品采用了相同的活化条件，得到了相似的微观形貌。图3.1（b）显示了BNPC的SEM电子显微镜图像，可以看出与图3.1（a）中原始苎麻纤维相同分辨率大小下相比较，微观形貌非常相似，说明了苎麻衍生碳很好地继承了天然苎麻的一维性质。原始苎麻纤维并没有多孔的性质以及高的比表面积，不能适用于超级电容器电极，而在经过活化后，高倍率TEM图像下可以看到所得炭材料上密集的微孔，为电荷储存的主要场所，即比电容的主要来源。图3.1（a）原始苎麻纤维的SEM图像（b）NBPC的SEM图像（c,d）NBPC的TEM图像Fig.3.1(a)SEMimageofrawramiefibre(b)SEMimageofNBPC(c，d)TEMimageofNBPC所制备的苎麻衍生碳除了固有的大表面积以及热稳定性外，其一维性质将在制备过程中以及后续它对应的电极材料提供一系列的优点。首先，作为天然生物质材料，苎麻
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