生物质基碳复合电极材料的制备及其超电容性能的研究

发布时间：2017-08-10 15:22

  本文关键词：生物质基碳复合电极材料的制备及其超电容性能的研究

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【摘要】：超级电容器因具有循环寿命长、充放电速度快和功率密度高等优点,被广泛地运用在电动汽车、电子器件等领域中。碳材料因具有导电性高、化学稳定性高以及原材料丰富等优点,已成为当前超级电容器的主要电极材料之一。寻找廉价、绿色和可再生的原材料制备活性炭(AC)已经成为当下的一大热点。以生物质为原材料制备生物质碳材料,既可节约成本,还可缓解因焚烧生物质而造成的环境问题。本论文以廉价的生物质为原材料,制备得到超级电容器AC电极材料以及AC基复合物电极材料。主要研究成果如下(1)以火龙果皮(DF)、罗汉果皮(MG)和梧桐絮(FC)作为碳源,先在Ar气氛中进行碳化,采用KOH活化后再在Ar气氛中进行高温煅烧,获得了具有高比表面积的碳材料。经过扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)表征说明,制备得到的ACs表面为无定型结构。傅立叶红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)表征说明,制备得到的AC s含有大量的含氧官能团,这些官能团对增加AC s的赝电容和提高电解液与AC s表面的亲水性有很大帮助。氮气吸脱附测试说明,制备得到的AC s具有较高的比表面积。由微孔和介孔所组成的分级孔结构有利于电解液离子的扩散和传输。电化学测试说明,在电流密度为0.5 A g-1时,DF-AC、 MG-AC和FC-AC的比电容分别是287 F g-1、239 F g1和227 F g-1。结果说明,制备得到的ACs具有较高的比电容。在电流密度为4 A g-1以及连续充放电5000圈后,所有制备得到的AC s电极的比电容几乎没有衰减,说明制备得到的ACs具有优异的循环稳定性。(2)以柚子皮(PP)作为碳源,先在Ar气氛中进行碳化,采用KOH活化后再在Ar气氛中进行高温煅烧,制备得到PP-AC。主要探讨了4种摩尔浓度的KOH活化剂对所制备的PP-AC结构以及PP-AC作为超级电容器电极材料的超电容性能的影响。当KOH为3.0mol L-1时,PP-AC呈现出相互贯通的孔结构,这为电解质离子的传输提供了通道,又提高了材料的比表面积。XRD表征说明,4种PP-AC均呈现出无定型结构和一定的石墨化结构。电化学测试说明,在电流密度为1 A g-1时,KOH摩尔浓度分别为1mol L-1、2 mol L-1、3 mol L-1和4 mol L-1时的4种PP-AC电极材料的比电容分别是191 F g-1、247F g-1、260 F g-1 和 225F g-1。在电流密度为2 A g-1以及连续充放电1000圈后,制备得到的ACs电极的电容几乎没有衰减,说明制备得到的ACs具有优异的循环稳定性。(3)通过水热法合成了α-Ni(OH)2/PP-AC复合材料,探讨了不同质量配比下制备得到的复合物的电化学性能。SEM分析说明高比表面的PP-AC能够使α-Ni(OH)z分散在其孔内,防止了团聚现象的发生。XRD分析说明复合物材料中只有α-Ni(OH)2和C。在电流密度为6Ag-1时,α-Ni(OH)2/PP-AC复合材料的质量比为1:20的电极材料的比电容是994 F g-1,单纯的α-Ni(OH)2比电容是832 F g-1。在电流密度为8 A g-1时,连续充放电1000圈后,复合物材料的质量比为1：20的电极材料的电容保持率为84%,比单纯的α-Ni(OH)2的电容保持率(62%)高。结果说明,复合材料的比电容和倍率性均相比于单纯的α-Ni(OH)2电极和PP-AC电极有一定程度的提高。(4)通过水热法合成了NiMoO4 xH2O/PP-AC复合材料,探讨了不同摩尔比的NiMoO4 xH2O与PP-AC制备得到的复合物的电化学性能。XRD分析说明复合物材料成分有NiMoO4xH2O和C。 SEM图说明高比表面的PP-AC能够使NiMoO4 xH2O分散在其孔内,增加了比表面积。在电流密度为1 A g-1,PP-AC与NiMoO4 xH2O的摩尔比为25:24时,复合物电极材料的比电容为1075 F g-1,而单纯的NiMoO4xH2O比电容为667 F g-1。在电流密度为2 A g-1,连续充放电1000圈后,PP-AC与 NiMoO4 xH2O的摩尔比为25-24的电极材料的电容保持率为87%,高于单纯的NiMoO4 xH2O的电容保持率(77%)结果说明,复合材料的比电容和倍率性均相比于NiMoO4 xH2O电极和PP-AC电极有一定程度的提高本论文的研究结果说明,DF-AC、 MG-AC和FC-AC都具有优异的电化学性能,具有作为超级电容器电极材料的潜力。相比于单纯的物质,α-Ni(OH)2/PP-AC 和 NiMoO4 xH2O/PP-AC的电化学性能得到了明显的提高。
【关键词】：生物质碳 电极材料 复合物 比电容 超级电容器
【学位授予单位】：西南科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TM53
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 1 绪论13-22
• 1.1 引言13
• 1.2 超级电容器介绍13-17
• 1.2.1 超级电容器的结构13-14
• 1.2.2 超级电容器的应用14-15
• 1.2.3 超级电容器储能机理与分类15-17
• 1.3 超级电容器电极材料17-19
• 1.3.1 碳基电极材料17-19
• 1.3.2 金属氧化物电极材料19
• 1.3.3 导电聚合物电极材料19
• 1.3.4 复合电极材料19
• 1.4 论文选题依据19-20
• 1.5 论文研究意义和内容20-21
• 1.5.1 论文研究意义20
• 1.5.2 论文研究内容20-21
• 1.6 论文创新点21-22
• 2 实验方法22-27
• 2.1 主要试剂和仪器设备22-23
• 2.1.1 主要试剂22
• 2.1.2 主要仪器设备22-23
• 2.2 材料制备和表征23-25
• 2.2.1 材料制备23-24
• 2.2.2 材料表征24-25
• 2.3 超级电容器电极制备和电化学性能测试25-27
• 2.3.1 电极制备25
• 2.3.2 电化学性能测试25-27
• 3 DF-AC、MG-AC、FC-AC的制备及电化学性能研究27-42
• 3.1 引言27
• 3.2 实验部分27-29
• 3.2.1 DF-AC、MG-AC、FC-AC的制备27-28
• 3.2.2 DF-AC、MG-AC、FC-AC的材料表征28-29
• 3.2.3 DF-AC、MG-AC、FC-AC电极制备和电化学性能表征29
• 3.3 结果与讨论29-40
• 3.3.1 DF-AC、MG-AC、FC-AC的成分、结构和形貌分析29-35
• 3.3.2 DF-AC、MG-AC、FC-AC的电化学性能研究35-40
• 3.4 本章小结40-42
• 4 KOH作为活化剂制备PP-AC及PP-AC电化学性能研究42-53
• 4.1 引言42-43
• 4.2 实验部分43-45
• 4.2.1 PP-AC的制备43
• 4.2.2 PP-AC的材料表征43-44
• 4.2.3 PP-AC电极制备和电化学性能表征44-45
• 4.3 结果与讨论45-51
• 4.3.1 PP-AC的成分、结构和形貌分析45-46
• 4.3.2 PP-AC的电化学性能研究46-51
• 4.4 本章小结51-53
• 5 α-Ni(OH)_2/PP-AC的制备及电化学性能研究53-66
• 5.1 引言53-54
• 5.2 实验部分54-56
• 5.2.1 α-Ni(OH)_2/PP-AC的制备54-55
• 5.2.2 α-Ni(OH)_2/PP-AC的材料表征55
• 5.2.3 α-Ni(OH)_2/PP-AC电极制备和电化学性能表征55-56
• 5.3 结果与讨论56-64
• 5.3.1 α-Ni(OH)_2/PP-AC的成分、结构和形貌分析56-58
• 5.3.2 α-Ni(OH)_2/PP-AC的电化学性能研究58-64
• 5.4 本章小结64-66
• 6 NiMoO_4 xH_2O/PP-AC的制备及电化学性能研究66-78
• 6.1 引言66
• 6.2 实验部分66-68
• 6.2.1 NiMoO_4x H_2O/PP-AC的制备66-67
• 6.2.2 NiMoO_4 x H_2O/PP-AC的材料表征67
• 6.2.3 NiMoO_4x H_2O/PP-AC电极制备和电化学性能表征67-68
• 6.3 结果与讨论68-76
• 6.3.1 NiMoO_4x H_2O/PP-AC的成分、结构和形貌分析68-69
• 6.3.2 NiMoO_4 x H_2O/PP-AC的电化学性能研究69-76
• 6.4 本章小结76-78
• 结论78-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-96
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果96

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本文编号：651434