玉米秸秆芯基碳材料的制备及其超级电容性能研究

发布时间：2020-10-10 07:12

　　随着经济的不断发展,能源短缺和环境污染等问题日益严重,寻找一种新型的绿色能源刻不容缓。作为一种能量储存装置,超级电容器结合了传统电容器与电池的优点,具有充放电时间短、功率密度大和循环稳定性好等特点,其在航空航天、电动汽车和移动通讯上都有广泛的应用。电极材料是影响超级电容器性能的关键因素,其中,碳材料由于具有高比表面积、多孔性和良好导电性等特点,成为双电层电容器应用最广泛的电极材料,但是碳材料多源于煤和石油等不可再生能源,而且制备过程污染环境,因此,寻找一种可再生、无污染的原材料是当前研究的热点。以农业废弃物作为原材料不仅可以减少环境污染,而且可以最大化利用资源,节约成本。所以,本文以玉米秸秆芯作为原材料,制备出了活性碳材料并应用在超级电容器中,主要研究内容如下:(1)以玉米秸秆芯为原材料,通过两步法(碳化和活化)制备出活性碳材料,由于活化温度是影响活性碳材料的主要因素,所以先对水热温度、水热时间和活化时间等实验条件进行了初步筛选,通过电化学性能测试得到的最佳工艺参数为水热温度150°C、水热时间3 h、碱的浓度3 mol·L~(-1)、活化时间1 h,在此基础上再讨论活化温度对碳材料的影响,得到最佳的活化温度为700°C。在1 A·g~(-1)的电流密度下,CSC-700的比容量为160.1 F·g~(-1),循环1000圈后,保持率高达87.9%,在高电流密度下循环5000圈后容量仅衰减4%,体现了其较好的倍率性能和稳定性。CSC-700的比表面积为1440.45 m~2·g~(-1),具有大量的孔隙结构,为电解液离子的转移与脱嵌提供了便利,可以显著提升其电化学性能。(2)研究表明,掺杂可以提高材料的比容量,而且,硝酸镍可以增加材料的比表面积,所以本文利用玉米秸秆芯自身的海绵状结构,充分吸收硝酸镍溶液之后,再对玉米秸秆芯进行碳化和活化。通过对硝酸镍浓度的探索,得出最佳的掺杂浓度是2%,CSC-2%在1 A·g~(-1)电流密度下的比容量是109.4 F·g~(-1),当电流密度增加5倍之后,比容量的衰减率仅仅为3.5%,在1 A·g~(-1)和5 A·g~(-1)的电流密度下循环充放电1000圈和5000圈后,比容量保持率分别为81.9%和85.7%。但是,与CSC-700对比后发现,掺杂后的样品容量低于未掺杂样品。(3)考虑到制备的成本和步骤的复杂性,在第3章的基础上,对制备方法进行了改进,利用碱液将木质素等除去,再对剩余的纤维素进行碳化,不仅节约了成本,而且简化了制备过程。通过对碳化温度的探索,得到最佳的碳化温度为600°C。CE-600在1 A·g~(-1)电流密度下的比容量是154.2 F·g~(-1),当电流密度增至5 A·g~(-1)后,比容量的保留率可以达到88.7%。在1 A·g~(-1)及5 A·g~(-1)的电流密度下循环充放电1000圈和5000圈后,比容量保持率分别为76.4%和92%,说明材料在大电流密度下的稳定性较好。与两步法制得的CSC-700对比后发现,二者的容量水平几乎持平。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11;TM53
【部分图文】：

超级电容器

图 1.2 超级电容器的分类Fig.1.2 The categories of supercapacitors 超级电容器的工作原理统电容器通过电荷分离形成的电势差来储存能量，能量被储存在一层薄中，这些材料由金属板支撑，作为器件的终端。超级电容器是介于传统之间的一种储能器件，基于工作原理的不同，分别称为法拉第赝电容器器。法拉第赝电容器是通过氧化还原反应来存储能量的，利用电解液和可逆的氧化还原反应来产生法拉第电容[16-18]。双电层电容器，是在传统电，用电解液替换了金属板，由两个电极和电极之间的隔膜电解液所构成器通过双电荷层来储存能量，使能量提高了数千倍。界面双电层理论是 Helmholz 首次提出的，由于静电作用，电解液中的正负离子分别向带有极移动，最后聚集在电极材料表面上，形成紧密的电极-溶液界面电荷层

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第 1 章绪论公式 1.2 反映了电容器中存储电荷 Q 的计算方法。221CVE ·····················································（1.1）Q CV························································（1.2）根据以上计算公式可知，超级电容器储存能量的大小取决于电容和电压，而的主要途径即为提高电极材料的比表面积和获取适宜的孔结构，所以用于超的电极材料多是拥有高比表面积、孔径是纳米范围内的多孔材料。

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吉林大学硕士学位论文性及化学稳定性，这使其在超级电容器上的应用也受到一定关注[36-37]。石墨烯的制法有很多种，主要是有两种方法，第一种是通过物理和化学的处理方法，由石墨得到石墨烯；另外一种是从单个的碳原子考虑制备石墨烯。由于石墨烯特殊的结具有较高的比表面积，加上其优异的导电性等特性，石墨烯作为超级电容器电极电容可以达到 200 F·g-1以上。Kim 等人[38]制备出了具有三维孔隙结构的石墨烯材独特的孔结构大大地增强了材料的比容量。Xu 等人[39]曾报道，以海绵做模板，用 K氧化石墨烯进行活化，二者相结合所制备出的三维多孔碳材料，具有电阻小和比积大等优点，其三维层次和多孔结构有利于离子传输，是超级电容器的理想电极。Zhu 等人[40]利用化学剥离法制备的氧化石墨烯，其比表面积达到了 3100 m2·g-1，率高，含氧量和含氢量低，适用于商业化应用。

【参考文献】