强氧化剂活化法制备麻杆基多孔炭及性能研究

发布时间：2020-09-28 07:14

　　 生物质由于来源广泛、可持续、可循环利用的优势,被大量用于合成生物质多孔活性炭材料,具有发达的孔道结构,对超级电容器储能有极大的优势。对碳源前驱体进行化学试剂(HNO3、H2O2、KOH、NaOH)预处理可以优化其结构及形貌,改变表面化学官能团及含量,制备的多孔炭大多为非晶结构、石墨化程度低、导电性不高。但是强氧化剂可以同时作为造孔剂和催化剂完成石墨化和多孔化处理,强氧化剂活化法耗时很短、过程简单、绿色环保,是非常优异的活化方法。强氧化剂活化得到炭材料的微孔、介孔可以引入到各种结构碳的骨架中,较大的比表面积和较宽的孔径分布使得制备的生物质多孔炭有优异的电化学性能。并且强氧化剂一步碳化活化法制备生物质多孔炭的研究罕见报道。本论文以生物质麻杆粉为原料,分别采用三种不同的强氧化剂高锰酸钾、高氯酸钾、重铬酸钾,一步碳化活化法制备麻杆基多孔炭,并对其结构和性能进行表征。(1)将麻杆粉原料与强氧化剂KMnO4溶液,按比例混合均匀,干燥得到碳化前驱体,在不同温度条件下,一步碳化活化制备麻杆基多孔活性炭材料。采用 SEM、HRTEM、N2 吸附法、XRD、XPS、Raman、FTIR 对其进行表征,麻杆基多孔活性炭呈现分级多孔结构,600℃活化的样品比表面积与总孔容分别达到1025m2/g和1.53cm3/g,表面氧含量为12.33at℃,氮含量为1.26at%。以其组装超级电容器并且测试电化学性能,在6M KOH三电极条件下,电流密度0.1A/g时获得最高的比电容329F/g;在6MKOH两电极条件下,电流密度0.2A/g时比电容值为260F/g,电流密度5A/g下恒流充放电循环10000圈之后,比电容值仅减少6.25%,表明材料具有优异的电容循环稳定性;在1MNa2SO4两电极条件下,电流密度1A/g时比电容为147F/g,电流密度5A/g时比电容保持113F/g,比电容保持率为76.87%,在功率密度为425W/kg时获得最大的能量密度14.75Wh/kg,表明具有优异的倍率性能和很高的能量密度。(2)麻杆粉作为原料,KC104作为强氧化剂,按比例均匀混合得前驱体,经不同温度一步碳化活化后合成麻杆基多孔活性炭。采用SEM、HRTEM、N2吸附法、XRD、XPS、Raman、FTIR对其进行表征,500℃活化的样品的比表面积与总孔容分别达到850m2/g和1.13cm3/g,表面氧含量为12.5at%,氮含量为1.36at%。利用其为电极材料组装超级电容器,在6M KOH三电极条件下,电流密度0.1A/g时获得最高的比电容值295F/g;在6MKOH两电极条件下,电流密度0.2A/g下比电容值为248F/g,电流密度5A/g下恒流充放电循环10000圈之后,电容减少8.51%,表明循环稳定性良好;在1MNa2SO4两电极条件下,电流密度1A/g时比电容为135F/g,电流密度5A/g时比电容为114F/g,电容保持率84.45%,功率密度399.33W/kg时获得对应最高的能量密度11.98Wh/kg,表明有优异的倍率性能和较大的能量密度。(3)将麻杆粉原料,强氧化剂K2Cr207溶液按比例均匀混合,干燥得混合物前驱体,高温一步碳化活化合成麻杆基多孔活性炭。采用SEM、HRTEM、N2吸附法、XRD、XPS、Raman、FTIR对样品进行表征,结果表明,样品中残留氧化铬,形成炭包覆氧化铬的结构,孔结构分布较窄,并且孔道阻塞,作为电极材料,在6MKOH三电极下,电流密度0.1A/g时,比电容仅达到149.4F/g,电流密度2A/g下比电容剩余72.45F/g,电容性能和倍率性能欠佳。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ424;TM53
【部分图文】：

北京化工大学硕士学位论文生物质多孔炭电化学性能的影响因素逡逑１孔径结构特征逡逑照ＩＵＰＡＣ孔径标准分布，孔径小于２ｍｎ的孔指微孔，介于２￣５０ｎｍ的孔于５０ｎｍ的孔指大孔…］。微孔、介孔、大孔一般为树枝状形状负载在碳结们之间互相连通，图１－１表示孔径分布图［４２］。孔结构分布影响多孔炭的比如多孔炭的微孔含量相对较多，比表面积一般较大，如果微孔含量较少，般较小。但是孔径如果过小，电解液离子不会进入孔隙内，炭材料表面不作用［４３】。并且孔径分布不合适，电解质离子不能快速传输到微孔表面，部累积电荷，导致高倍率条件下的比电容下降。逡逑

Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｔｒｕｔｕｒｅ邋ｄｉａｇｒａｍｓ邋ｏｆ邋ｈｅｍｐ逡逑ＥＭ表征分析麻杆的微观结构，发现麻杆有中空组织。这些组织通常为相互平行的直通型管束，性能良好［６６］。逡逑－８６麻杆中物化组分进行定量分析，并且结合有主要成分为纤维素、半纤维素、木质素，其中］。逡逑究逡逑叶茂、根系发达的优势，可以治理水土流失的问蚀量，最终可以保持水土生态发展。并且，麻杆殊的经济价值表现［６８技卩下所示：麻杆所含木质少

逑２．６实验流程图逡逑制备工艺流程图如下图２－１所示。逡逑ａｃｔｉｖａｔｉｎｇ邋ａｇｅｎｔ逡逑ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ邋ｐｒｏｄｕｃｔ逡逑？邋＼逡逑W一卜邋ｊ邋ｓｒｍｓ，邋ｒ｜？逡逑Ｈｅｍｐ邋ｐｏｗｄｅｒ逦ｍｉｘｔｕｒｅ逦ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ逡逑Ｈｅｍｐ逦Ｈｅｍｐ－ｄｅｒｉｖｅｄ邋ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ邋ｐｏｒｏｕｓ逡逑图２－１麻杆基多孔活性炭制备流程逡逑Ｆｉｇ．２－１邋Ｐｒｅｐａｒａｔ

【参考文献】

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本文编号：2828494