煤密中质组制备超级电容器电极材料的孔结构调控
发布时间：2021-10-02 03:46
以密中质组为原料,氢氧化钾为活化剂,纳米氧化铝为硬模板剂或微晶纤维素为软模板剂,采用一步碳化/活化法制备了多孔碳材料并将之用于超级电容器电极。用BET、SEM等进行多孔碳的结构表征,用电化学工作站二电极体系对多孔碳组装的双电层电容器进行循环伏安（CV）、恒流充放电（GCD）、交流阻抗（EIS）等测试。考察了模板比（模板剂:密中质组）、活化比（氢氧化钾:密中质组）、活化温度、活化时间四个因素对多孔碳的孔结构调控和多孔碳电极的电化学性能的影响。以纳米氧化铝为硬模板剂时,密中质组、纳米氧化铝以及氢氧化钾的最优质量比为1:2:3,最适温度为750℃,得到的多孔碳具有2659 m2/g的大比表面积和1.542 cm3/g的孔体积,制备成电极时具有最优异的电化学性能,在电流密度为0.1 A/g时,比电容为398 F/g;电流密度增加到2 A/g,比电容降到250 F/g,倍率性能为63%,循环充放电4000次,比电容的保有率仍然有73.4%,能量密度和功率密度分别为70.9 Wh/kg和5431 W/kg。在造孔过程中,被密中质组包覆的纳米氧化铝模板通过...
【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】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
煤萃取/反萃取流程图
3氧化铝为模板剂制备多孔碳的孔结构调控及其电化学性能293.3.2活化比对多孔碳微观形貌的影响从图3-5（f）可以看出，M1A0K0中存在孔道、突起小球和少量微孔结构，原因是密中质组流动不均匀，热解产生的气体无法冲破密中质组较厚的地方，大量气体堆积从较薄的密中质组处释放产生微孔以及孔道；从图3-5（e和b）可以看出，热解气体都可以释放出来，但是无纳米氧化铝加入的多孔碳热解气体释放不均匀，纳米氧化铝的加入改变了多孔碳的孔结构，使孔径尺寸更加均匀；从图305（a）可以看出，活化比为2时，孔与孔之间的距离较远，孔结构仅限于多孔碳表面，孔数量较少，这是因为活化比较小时，氢氧化钾的活化位点较少，活化反应不能充分进行；活化比增加到3时，M1A2K3的表面孔数量增多，不仅限于多孔碳的表面，多了一些深层次的孔，孔与孔紧密相连，且孔尺寸比较均匀，平均孔径减小，微孔-中孔-大孔结构适宜，有利于电解液的缓冲和电解质离子的快速转移；从图3-5（c和d）中可以看出，当活化比继续增加超过4之后，可以看到表面的孔结构有一部分已经被破碎，导致比表面积降低，这与孔结构参数变化相一致。图3-5多孔碳材料的SEM图:(a)M1A2K2;(b)M1A2K3;(c)M1A2K4;(d)M1A2K5;(e)M1A0K3;(f)M1A0K0Figure3-5theSEMimagesof(a)M1A2K2;(b)M1A2K3;(c)M1A2K4;(d)M1A2K5;(e)M1A0K3and(f)M1A0K03.3.3活化比对电化学性能的影响图3-6为不同活化比下多孔碳的循环伏安曲线。从图中可知，所有样品的循环伏安曲线都具有一定的类矩形性，且均没有氧化还原峰出现，是典型的双电层
硕士学位论文38的加入可以很好的改变多孔碳的孔结构，提高多孔碳的中孔率，为电解质的扩散提供较多的离子通道，减小扩散电阻，提高多孔碳的比表面积利用率。其次，固定模板比为2，活化温度为750℃和活化时间为2h，改变活化比对多孔碳的孔结构调控作用，只有纳米氧化铝活化的样品以中孔结构为主，中孔率达到94％，随着活化比的增加，中孔率不断下降，说明氢氧化钾的加入使多孔碳的微孔结构增加和比表面积增大，可以提高多孔碳的电化学性能。因此，通过调节模板比和活化比，可以找到比表面积大、孔结构适宜且电化学性能最优的多孔碳。最后，固定模板比为2，活化比为3和活化时间为2h，改变活化温度对多孔碳的孔结构的调控作用，随着温度的升高，中孔体积增加，比表面积下降。3.6纳米氧化铝为模板剂和KOH制备多孔碳的造孔机理分析（Mechanismanalysisofporouscarbonpreparedbynano-aluminaasTemplateagentandKOH）结合多孔碳的孔径分布和微观形貌，推测纳米氧化铝为硬模板剂和氢氧化钾为活化剂的造孔机理过程如图3-11所示。图3-11纳米氧化铝为模板剂和KOH制备多孔碳的机理图Figure3-11Mechanismdiagramofpreparingporouscarbonbynano-aluminaastemplateagentandKOH加热密中质组、纳米氧化铝和KOH的混合物，200℃以上，密中质组开始软化，随着温度升高，软化程度增加，当温度升高到380℃，密中质组具有良好的流动性，氢氧化钾开始熔化，密中质组携带着氢氧化钾包覆纳米氧化铝颗粒，使密中质组得到较好的分散，保证热解过程中生成的气体可以均匀的逸出，当温度升高到540℃，密中质组固化，氢氧化钾开始起主要造孔作用，刻蚀碳原子得到较多的微孔结构，反应结束后，用盐酸除去纳米氧化铝和氢氧化钾产物，得到多孔碳材料。
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯储能应用的技术进展及产业化现状[J]. 郭雪飞,孙洋洲,刘强,于航,张敏吉. 炭素技术. 2020(01)
[2]石墨烯纳米材料的制备及能源应用研究进展[J]. 张丰发,张建交,王云龙. 黑龙江工程学院学报. 2019(06)
[3]聚合物电解质在超级电容器中的研究进展[J]. 寻之玉,侯璞,刘旸,倪守朋,霍鹏飞. 材料工程. 2019(11)
[4]我国煤炭行业新旧动能转换的思考及应对措施[J]. 董继友. 中国集体经济. 2019(32)
[5]新时代我国煤炭行业高质量发展路径探讨[J]. 李惠云. 中国煤炭. 2019(10)
[6]高性能聚合物在新型储能领域的应用进展[J]. 胡方圆,刘冬明,李佳乐,王锦艳,邵文龙,张天鹏,刘思洋,蹇锡高. 中国材料进展. 2019(10)
[7]生物质纤维素基碳气凝胶材料研究进展[J]. 陈媛,韩雁明,范东斌,晏婷婷,李改云,王思群. 林业科学. 2019(10)
[8]金属有机骨架在超级电容器方面的研究进展[J]. 亢敏霞,周帅,熊凌亨,宁峰,王海坤,杨统林,邱祖民. 材料工程. 2019(08)
[9]超盐环境下含氮碳气凝胶的制备及其在超级电容器中的应用[J]. 张璇,杨佳兴,金秋阳,佟明兴,周俊熹,高静,李国华. 化工学报. 2019(07)
[10]超级电容器的原理及应用[J]. 李梦格,李杰. 科技风. 2019(13)
博士论文
[1]新型碳基纳米电极材料的设计、制备及电化学储能性质研究[D]. 朱国银.南京大学 2018
[2]沥青基超级电容器炭电极材料的制备及电化学性质研究[D]. 钟存贵.太原理工大学 2015
[3]有序介孔炭基超级电容器电极材料的制备及性能研究[D]. 王六平.大连理工大学 2012
硕士论文
[1]柔性电极及其储能器件制备及性能研究[D]. 吴幼薇.南京邮电大学 2019
[2]物理化学活化法制备煤基活性炭及其电化学性能研究[D]. 吴雅俊.中国矿业大学 2018
[3]铂电极上二离子电化学催化氧化的交流阻抗谱[D]. 王猛.中国矿业大学 2018
[4]MnO2基纳米片阵列的可控制备及其赝电容性能研究[D]. 向路.重庆大学 2018
[5]掺氮多孔炭/氧化镍（铁）锰和碳管的联合制备与电容性能的研究[D]. 赵捷.西安科技大学 2017
[6]煤基中间相半焦制备及其用于超级电容器电极材料研究[D]. 单良.中国矿业大学 2017
[7]碳基超级电容器电极材料的制备及其电化学性能研究[D]. 安宏泽.哈尔滨工程大学 2014
[8]椰壳基活性炭改性及其对Pb2+的吸附性能研究[D]. 刘宏燕.中南大学 2010
[9]高比表面积碳负载NiO超级电容器材料的制备、表征及性能研究[D]. 张伟.大连交通大学 2009
本文编号：3417946
【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】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
煤萃取/反萃取流程图
3氧化铝为模板剂制备多孔碳的孔结构调控及其电化学性能293.3.2活化比对多孔碳微观形貌的影响从图3-5（f）可以看出，M1A0K0中存在孔道、突起小球和少量微孔结构，原因是密中质组流动不均匀，热解产生的气体无法冲破密中质组较厚的地方，大量气体堆积从较薄的密中质组处释放产生微孔以及孔道；从图3-5（e和b）可以看出，热解气体都可以释放出来，但是无纳米氧化铝加入的多孔碳热解气体释放不均匀，纳米氧化铝的加入改变了多孔碳的孔结构，使孔径尺寸更加均匀；从图305（a）可以看出，活化比为2时，孔与孔之间的距离较远，孔结构仅限于多孔碳表面，孔数量较少，这是因为活化比较小时，氢氧化钾的活化位点较少，活化反应不能充分进行；活化比增加到3时，M1A2K3的表面孔数量增多，不仅限于多孔碳的表面，多了一些深层次的孔，孔与孔紧密相连，且孔尺寸比较均匀，平均孔径减小，微孔-中孔-大孔结构适宜，有利于电解液的缓冲和电解质离子的快速转移；从图3-5（c和d）中可以看出，当活化比继续增加超过4之后，可以看到表面的孔结构有一部分已经被破碎，导致比表面积降低，这与孔结构参数变化相一致。图3-5多孔碳材料的SEM图:(a)M1A2K2;(b)M1A2K3;(c)M1A2K4;(d)M1A2K5;(e)M1A0K3;(f)M1A0K0Figure3-5theSEMimagesof(a)M1A2K2;(b)M1A2K3;(c)M1A2K4;(d)M1A2K5;(e)M1A0K3and(f)M1A0K03.3.3活化比对电化学性能的影响图3-6为不同活化比下多孔碳的循环伏安曲线。从图中可知，所有样品的循环伏安曲线都具有一定的类矩形性，且均没有氧化还原峰出现，是典型的双电层
硕士学位论文38的加入可以很好的改变多孔碳的孔结构，提高多孔碳的中孔率，为电解质的扩散提供较多的离子通道，减小扩散电阻，提高多孔碳的比表面积利用率。其次，固定模板比为2，活化温度为750℃和活化时间为2h，改变活化比对多孔碳的孔结构调控作用，只有纳米氧化铝活化的样品以中孔结构为主，中孔率达到94％，随着活化比的增加，中孔率不断下降，说明氢氧化钾的加入使多孔碳的微孔结构增加和比表面积增大，可以提高多孔碳的电化学性能。因此，通过调节模板比和活化比，可以找到比表面积大、孔结构适宜且电化学性能最优的多孔碳。最后，固定模板比为2，活化比为3和活化时间为2h，改变活化温度对多孔碳的孔结构的调控作用，随着温度的升高，中孔体积增加，比表面积下降。3.6纳米氧化铝为模板剂和KOH制备多孔碳的造孔机理分析（Mechanismanalysisofporouscarbonpreparedbynano-aluminaasTemplateagentandKOH）结合多孔碳的孔径分布和微观形貌，推测纳米氧化铝为硬模板剂和氢氧化钾为活化剂的造孔机理过程如图3-11所示。图3-11纳米氧化铝为模板剂和KOH制备多孔碳的机理图Figure3-11Mechanismdiagramofpreparingporouscarbonbynano-aluminaastemplateagentandKOH加热密中质组、纳米氧化铝和KOH的混合物，200℃以上，密中质组开始软化，随着温度升高，软化程度增加，当温度升高到380℃，密中质组具有良好的流动性，氢氧化钾开始熔化，密中质组携带着氢氧化钾包覆纳米氧化铝颗粒，使密中质组得到较好的分散，保证热解过程中生成的气体可以均匀的逸出，当温度升高到540℃，密中质组固化，氢氧化钾开始起主要造孔作用，刻蚀碳原子得到较多的微孔结构，反应结束后，用盐酸除去纳米氧化铝和氢氧化钾产物，得到多孔碳材料。
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯储能应用的技术进展及产业化现状[J]. 郭雪飞,孙洋洲,刘强,于航,张敏吉. 炭素技术. 2020(01)
[2]石墨烯纳米材料的制备及能源应用研究进展[J]. 张丰发,张建交,王云龙. 黑龙江工程学院学报. 2019(06)
[3]聚合物电解质在超级电容器中的研究进展[J]. 寻之玉,侯璞,刘旸,倪守朋,霍鹏飞. 材料工程. 2019(11)
[4]我国煤炭行业新旧动能转换的思考及应对措施[J]. 董继友. 中国集体经济. 2019(32)
[5]新时代我国煤炭行业高质量发展路径探讨[J]. 李惠云. 中国煤炭. 2019(10)
[6]高性能聚合物在新型储能领域的应用进展[J]. 胡方圆,刘冬明,李佳乐,王锦艳,邵文龙,张天鹏,刘思洋,蹇锡高. 中国材料进展. 2019(10)
[7]生物质纤维素基碳气凝胶材料研究进展[J]. 陈媛,韩雁明,范东斌,晏婷婷,李改云,王思群. 林业科学. 2019(10)
[8]金属有机骨架在超级电容器方面的研究进展[J]. 亢敏霞,周帅,熊凌亨,宁峰,王海坤,杨统林,邱祖民. 材料工程. 2019(08)
[9]超盐环境下含氮碳气凝胶的制备及其在超级电容器中的应用[J]. 张璇,杨佳兴,金秋阳,佟明兴,周俊熹,高静,李国华. 化工学报. 2019(07)
[10]超级电容器的原理及应用[J]. 李梦格,李杰. 科技风. 2019(13)
博士论文
[1]新型碳基纳米电极材料的设计、制备及电化学储能性质研究[D]. 朱国银.南京大学 2018
[2]沥青基超级电容器炭电极材料的制备及电化学性质研究[D]. 钟存贵.太原理工大学 2015
[3]有序介孔炭基超级电容器电极材料的制备及性能研究[D]. 王六平.大连理工大学 2012
硕士论文
[1]柔性电极及其储能器件制备及性能研究[D]. 吴幼薇.南京邮电大学 2019
[2]物理化学活化法制备煤基活性炭及其电化学性能研究[D]. 吴雅俊.中国矿业大学 2018
[3]铂电极上二离子电化学催化氧化的交流阻抗谱[D]. 王猛.中国矿业大学 2018
[4]MnO2基纳米片阵列的可控制备及其赝电容性能研究[D]. 向路.重庆大学 2018
[5]掺氮多孔炭/氧化镍（铁）锰和碳管的联合制备与电容性能的研究[D]. 赵捷.西安科技大学 2017
[6]煤基中间相半焦制备及其用于超级电容器电极材料研究[D]. 单良.中国矿业大学 2017
[7]碳基超级电容器电极材料的制备及其电化学性能研究[D]. 安宏泽.哈尔滨工程大学 2014
[8]椰壳基活性炭改性及其对Pb2+的吸附性能研究[D]. 刘宏燕.中南大学 2010
[9]高比表面积碳负载NiO超级电容器材料的制备、表征及性能研究[D]. 张伟.大连交通大学 2009
本文编号：3417946
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