多孔碳材料的制备及应用于高性能超级电容器
发布时间：2021-10-29 11:03
电极材料是超级电容器研究的关键。超级电容器的电极材料主要包括石墨烯、碳纳米管和活性碳[1-4]。其中活性碳因具有电化学可逆性和可调节的孔径而成为有力的碳材料候选者[5,6]。尽管如此,低能量密度和高制备成本限制了活性碳的使用。因此,需要开发新颖有效的方法来合成活性碳,以节约成本和实现绿色环保要求,从而促进其实际应用[7,8]。鉴于多孔碳材料的优异性能,可以将生物质废弃物用作低成本和环保的原料来合成多孔碳材料[9-11]。另外,生物质包含氮、硫、磷和几种金属元素（例如铁和铜）。这些元素都可以提供赝电容来改善电化学性能[12]。在本课题中,我们以柚子皮或从柚子皮中提取的半纤维素为碳源,通过研磨或溶解从而与含杂原子的化合物混合,最后利用一步碳化或活化法来引入微孔和介孔,得到高杂原子含量且电化学性能优异的多孔活性碳材料。本课题的主要工作如下:（1）我们以生物质废弃物柚子皮为碳源,以过硫酸铵同时为氮源和硫源,将其混合研磨制备碳前驱体,先在500°C下预碳化2 h,之后加入KOH活化剂在500°C到800°C温度下且在氮气保护的环境中活化2 h,制备了氮硫共掺杂多孔碳材料。经...
【文章来源】：上海应用技术大学上海市
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
具有不同质量比的纤维素，半纤维素和木质素的SEM图像
第2页上海应用技术大学硕士学位论文1.2超级电容器超级电容器是一种具有超高储电能力的电容器，其结构示意图如图1.2所示。它主要通过静电累积或电化学作用来储存电能。超级电容器不仅可以在大电流下稳定的进行充放电，又可以像其它电池一样进行储能[30,31]。和市售电池或储能器件相比，超级电容器具有许多优势：因其优异的稳定性能，在使用时拥有长达几万次的循环寿命；在进行充放电时可逆性好且效率高；与锂离子电池相比，其安全性高；对工作温度的要求低，其可以在很低和很高的温度下进行使用，不局限于室温；充电简单且不会出现过充现象，因为没有过充的可能。但超级电容器自放电过于严重使很大一部分电能无法有效利用；其单位质量内所存贮的能量（即能量密度）过低，使得无法轻质化生产[28,32-36]。图1.2超级电容器的结构示意图Fig1.2Schematicdiagramofsupercapacitor.1.2.1超级电容器分类超级电容器包括利用静电作用储能的双电层电容器和依靠化学反应储能的法拉第赝电容器（图1.3）。双电层电容器依靠物理过程进行储能，主要依靠正负离子吸附在电极和电解液表面而形成电势差（即静电作用）。因此，双电层电容器在储能时没有经过任何的化学反应过程，离子可重复往返电极表面与电解液，致使其可逆性好[3,37,38]。法拉第赝电容器的本质是化学反应过程，依赖于活性物质的电位沉积而发生[39,40]。随着超级电容器的日渐成熟，人们尝试研究混合型超级电容器，它是两种超级电容器的组装和结合[41-44]。1.2.2生物质基碳材料简介生物质通常是指来源于自然界的植物或植物基材料，可以在光照条件下使用二氧化碳和水为原料通过生物光合作用合成[45,46]。目前大量的生物质仅仅用来燃烧，该过程的能量利用效率低下，并且还造成严重的空气污染。作?
上海应用技术大学硕士学位论文第3页扩散[48-50]。采用不同的策略，包括设计新颖的合成方法或寻找有效的后修饰技术从而改善电化学性能。生物质基多孔碳的合成策略对尺寸或表面性质（例如形态，电化学和机械学）具有巨大影响，有益于增强能量转化和存储性能[37,51,52]。图1.3超级电容器分类Fig1.3Classificationofsupercapacitors.生物质衍生的碳是一种人造碳材料，与天然存在的碳（如木炭，石墨和钻石）有很大的不同。由于石墨和金刚石是在高温高压下通过变质或火成环境中地壳中自然沉积的碳形成的[53]，生物量衍生的碳是通过转化天然产物（包括植物，食物微生物，和动物废物[54]通过热碳化和活化[55]等人工过程制成多孔碳材料。在热碳化过程中，将生物质进行高温加热，生物大分子骨架中的杂原子则逸出，使碳骨架具有多孔结构。在随后的激活后，剩余的碳骨架可以形成具有相对较高的电导率，表面积和孔隙率的互连3D结构，使其成为能量存储应用（尤其是超级电容器）的极佳候选者[56-59]。1.2.3生物质基碳材料储能机理类似于其他碳材料，生物质基碳材料通过双电层机制存储电荷[60]。理论上，通过将电解质中的抗衡离子吸引到电极的近表面来平衡电极（q）的电荷，而抗衡离子根据电极表面上的电荷分布排列并形成一层电荷。电极表面上的电荷和抗衡离子的带电层形成双电层，而电压降跨过这两层之间的区域（也称为外亥姆霍兹平面），如图1.4所示，该双电层在溶液中的行为类似于由电介质隔开的电容器[61,62]。利用双电层机制进行电荷存储的超级电容器可以归类为双电层电容器（EDLC），包括生物质衍生的碳。生物质衍生的碳应至少具有以下特性，包括：（i）大比电容（C），对应于高功率和能量密度；（ii）低等效串联电阻（RS），对应于小的电压降，更多的
本文编号：3464537
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【学位级别】：硕士
【部分图文】：
具有不同质量比的纤维素，半纤维素和木质素的SEM图像
第2页上海应用技术大学硕士学位论文1.2超级电容器超级电容器是一种具有超高储电能力的电容器，其结构示意图如图1.2所示。它主要通过静电累积或电化学作用来储存电能。超级电容器不仅可以在大电流下稳定的进行充放电，又可以像其它电池一样进行储能[30,31]。和市售电池或储能器件相比，超级电容器具有许多优势：因其优异的稳定性能，在使用时拥有长达几万次的循环寿命；在进行充放电时可逆性好且效率高；与锂离子电池相比，其安全性高；对工作温度的要求低，其可以在很低和很高的温度下进行使用，不局限于室温；充电简单且不会出现过充现象，因为没有过充的可能。但超级电容器自放电过于严重使很大一部分电能无法有效利用；其单位质量内所存贮的能量（即能量密度）过低，使得无法轻质化生产[28,32-36]。图1.2超级电容器的结构示意图Fig1.2Schematicdiagramofsupercapacitor.1.2.1超级电容器分类超级电容器包括利用静电作用储能的双电层电容器和依靠化学反应储能的法拉第赝电容器（图1.3）。双电层电容器依靠物理过程进行储能，主要依靠正负离子吸附在电极和电解液表面而形成电势差（即静电作用）。因此，双电层电容器在储能时没有经过任何的化学反应过程，离子可重复往返电极表面与电解液，致使其可逆性好[3,37,38]。法拉第赝电容器的本质是化学反应过程，依赖于活性物质的电位沉积而发生[39,40]。随着超级电容器的日渐成熟，人们尝试研究混合型超级电容器，它是两种超级电容器的组装和结合[41-44]。1.2.2生物质基碳材料简介生物质通常是指来源于自然界的植物或植物基材料，可以在光照条件下使用二氧化碳和水为原料通过生物光合作用合成[45,46]。目前大量的生物质仅仅用来燃烧，该过程的能量利用效率低下，并且还造成严重的空气污染。作?
上海应用技术大学硕士学位论文第3页扩散[48-50]。采用不同的策略，包括设计新颖的合成方法或寻找有效的后修饰技术从而改善电化学性能。生物质基多孔碳的合成策略对尺寸或表面性质（例如形态，电化学和机械学）具有巨大影响，有益于增强能量转化和存储性能[37,51,52]。图1.3超级电容器分类Fig1.3Classificationofsupercapacitors.生物质衍生的碳是一种人造碳材料，与天然存在的碳（如木炭，石墨和钻石）有很大的不同。由于石墨和金刚石是在高温高压下通过变质或火成环境中地壳中自然沉积的碳形成的[53]，生物量衍生的碳是通过转化天然产物（包括植物，食物微生物，和动物废物[54]通过热碳化和活化[55]等人工过程制成多孔碳材料。在热碳化过程中，将生物质进行高温加热，生物大分子骨架中的杂原子则逸出，使碳骨架具有多孔结构。在随后的激活后，剩余的碳骨架可以形成具有相对较高的电导率，表面积和孔隙率的互连3D结构，使其成为能量存储应用（尤其是超级电容器）的极佳候选者[56-59]。1.2.3生物质基碳材料储能机理类似于其他碳材料，生物质基碳材料通过双电层机制存储电荷[60]。理论上，通过将电解质中的抗衡离子吸引到电极的近表面来平衡电极（q）的电荷，而抗衡离子根据电极表面上的电荷分布排列并形成一层电荷。电极表面上的电荷和抗衡离子的带电层形成双电层，而电压降跨过这两层之间的区域（也称为外亥姆霍兹平面），如图1.4所示，该双电层在溶液中的行为类似于由电介质隔开的电容器[61,62]。利用双电层机制进行电荷存储的超级电容器可以归类为双电层电容器（EDLC），包括生物质衍生的碳。生物质衍生的碳应至少具有以下特性，包括：（i）大比电容（C），对应于高功率和能量密度；（ii）低等效串联电阻（RS），对应于小的电压降，更多的
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