木棉纤维基生物质炭的制备、改性及应用

发布时间：2020-09-19 10:35

　　随着科技进步和社会发展,人类对于能源的需求越来越大,加剧了能源短缺危机,伴随而来的环境污染问题也日益严峻。作为新型电能存储设备的超级电容器,正切合了能源方面的需求,受到了广泛关注。超级电容器的性能主要取决于电极材料及电解液,因此电极材料的制备以及电解液的选取是至关重要的。生物质炭具有比表面积大,孔结构丰富的优点,特别是由木棉纤维原料制备的生物质炭具备独特的管状结构和2D片层结构,是很有潜力的电极材料之一。针对木棉纤维基生物质炭电极材料,选择合适的电解液,特别是氧化还原型电解液,对于进一步提高电化学性能有重大意义。本论文以木棉纤维作前驱体,制备生物质炭,对生物质炭制备条件进行优化,并对电解液进行改进,以提高木棉纤维基生物质炭的电化学性能。主要研究内容如下:(1)采用一步热解法,调节木棉纤维基生物质炭的热解温度,制备得到不同热解温度下的生物质炭,并作为超级电容器电极材料。结果表明,当热解温度为750℃时,制备出的生物质炭C_(KF)-750具有大量微孔和介孔,比表面积达1125.7m2/g。在1 A/g的电流密度下,其比电容为283F/g。而且经过10000次的循环充放电,比电容几乎不下降。(2)以氢氧化钾作为活化剂,采用两步法,制备出2D木棉纤维基生物质炭纳米片。调整碱炭比,研究活化剂含量对生物质炭纳米片结构和性能的影响。结果表明,氢氧化钾能够破坏木棉纤维层状结构,产生较薄的纳米片层。当碱炭比为5:1时,制备的2D木棉纤维基生物质炭纳米片AC_(KF)-5具有超高的比表面积(3359.2 m2/g)和巨大的孔体积(2.1415 m3/g)。在1 A/g的电流密度下,AC_(KF)-5的比电容高达405F/g。同时表现出非常优异的倍率性能和循环稳定性。(3)以铁氰化钾和亚铁氰化钾为氧化还原添加剂,配制新型的氧化还原电解液,通过调整氧化还原添加剂的配比,研究其对AC_(KF)-5电化学性能的影响。当铁氰化钾与亚铁氰化钾比例为2:1时,在10 A/g的电流密度下,AC_(KF)-5在该电解液中的比电容可高达3380F/g。即使将电流密度升至30A/g,比电容依然可以达到1170F/g。以AC_(KF)-5制备对称的超级电容器设备,新型的氧化还原电解液作介质,体系的能量密度最高达264.1 Wh/kg。
【学位单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM53;O613.71
【部分图文】：

木棉,果实

图１＞４邋（ａ）木棉果实和（ｂ）木棉纤维逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋（ａ）邋Ｋａｐｏｋ邋ｆｒｕｉｔｓ邋ａｎｄ邋（ｂ）邋ｋａｐｏｋ邋ｆｉｂｅｒｓ逡逑Ｘｕ等人对购买得到木棉纤维进行氮气保护下的热解碳化及活化处理，并对化温度、碱炭比、活化时间进行优化，得到了具有高比表面积（１６４３．５邋ｍ２／ｇ）的木维基多孔纳米片。在７００邋°Ｃ下碳化２邋ｈ，碱炭比５：１，得到的碳材料在１邋ｍｏｌ／Ｌ２ＳＯ４电解液中，可以达到４３０Ｆ／ｇ的比电容（０．５Ａ／ｇ）。而且５０００圈的循环过后，容并没有明显的下降。组成的对称超级电容器在］２５邋Ｗ／ｋｇ的功率密度下，拥有７．８ｈ／ｋｇ的能量密度。证明木棉纤维是一种很有前景的超级电容器电极材料前驱体。逡逑Ｘｕ等人利用木棉纤维作为模板，使苯胺聚合在纤维表面，最后用ＮａＯＨ溶浸泡去除模板，制备出了微纳结构的中空管状聚苯胺电极材料，在１邋ｍｏｌ／Ｌ的Ｈ２Ｓ０电解液中具有６６７邋Ｆ／ｇ的比电容。由于生成的聚苯胺具有中空的管道结构，为电解子提供了较好的通道，有利于更充分地利用聚苯胺活性物质。同时，残余的模板棉纤维起到了骨架作用，有效地减弱聚苯胺掺杂／去掺杂过程中的收缩膨胀。他们木棉纤维碳作为骨架，负载金属氧化物来研宄其电化学性能。首先将木棉纤维

示意图,三电极体系,体系,示意图

研宄中所涉及的电化学测试都采用ＣＨＩ邋６６０Ｅ电化学工作站，参比电极是饱和逡逑Ａｇ／ＡｇＣｌ，对电极为铂丝，电解液一般采用６ｍｏｌ／Ｌ的氢氧化钾溶液。通常的测试体逡逑系为三电极体系，测试能量密度和功率密度时，为两电极体系。图２－１是三电极体系逡逑和两电极体系不意图。逡逑１７逡逑

循环伏安曲线,双电层电容器,扫描电压,循环伏安法

２．邋３．邋３交流阻抗测试逡逑交流阻抗法（ＥＩＳ）是研宄电化学体系反应机理、动力学过程的重要手段。通过逡逑外加的小幅度交流正弦波电压扰动（如图２－３），测量体系的电流或电压响应，由这些逡逑响应信息，得出阻抗或导纳，进而分析电化学体系的反应过程。逡逑１９逡逑

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