活性炭电极材料的制备及其在超级电容器中的应用研究

发布时间：2017-10-19 06:44

  本文关键词：活性炭电极材料的制备及其在超级电容器中的应用研究

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【摘要】：超级电容器作为一种新型的电能储存设备,因具有能量密度高、循环寿命长、稳定性好和快速充/放电等特点而引起人们的强烈关注,其性能主要受电极材料的制约。碳材料是应用最早的超级电容器电极材料。研究表明,掺氮可增加碳材料表面的浸润性和吸附性,促进碳表面的电化学反应,从而增加材料导电率,是提高碳材料电化学性能的有效方法之一。因此,我们选用绿色、环保且廉价的碳前驱体作为原料,通过简单的化学活化法制得多孔活性炭材料,将其用于超级电容器,并对所制备材料的形貌、结构及电化学性能等进行了详细的表征测试。主要内容如下:1、以医用脱脂棉(MAC)为碳源,ZnCl_2作活化剂,采用化学活化法制备了棉花基活性炭材料(CACs)。通过筛选炭化温度和活化比,当炭化温度为900℃,活化比(MAC/ZnCl_2)为1:2时,所制备的活性炭CAC2样品的比表面积高达2548.6m2 g-1。作为电极材料,CAC2在以2 M KOH为电解液的三电极体系中,其比电容在电流密度为0.5 A g-1下为239 F g-1。同时,在0.5 M Na_2SO_4电解液组成的两电极体系中,当电位窗口范围为0-1.8 V时,对称电池CAC2//CAC2的能量密度可达13.75 Wh kg-1,且能保持良好的稳定性(经5000次充/放电循环测试后,比电容减少7%)。2、采用ZnCl_2活化法制备了油渣基氮掺杂活性炭材料(N-RCs)。通过控制活化比来改善材料的表面特性,在最佳的活化比(油渣/ZnCl_2=1:2)下,所制备的最优样N-RC2有较大的比表面积和孔体积。作为电极材料,N-RC2在以6 M KOH为电解液的三电极体系中其比电容为250 F g-1。此外,两电极测试结果表明,对称电池N-RC2//N-RC2的能量密度可达13.55 Wh kg-1,且循环稳定性较好(经5000次充/放电循环测试后,对称电池的比电容保留率为92.8%)。3、选用大豆分离蛋白作为含氮前驱体,ZnCl_2作活化剂,直接炭化制备氮掺杂活性炭材料(N-PACs)。其中,N-PAC-2样品中的氮含量可高达10.92 wt%,且材料表面疏松多孔。三电极测试结果表明,在0.5 A g-1电流密度下,N-PAC-2电极的比电容为216 F g-1。同时,在0.5 M Na_2SO_4电解液组成的两电极体系中,当电位窗口范围为0-1.8 V时,N-PAC-2//N-PAC-2对称电池的能量密度为13.95 Wh kg-1。此外,经5000次充/放电循环测试后,对称电池的比电容保留率为93%,表现出优异的循环稳定性。
【关键词】：超级电容器 电极材料 活性炭 氮掺杂
【学位授予单位】：西北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM53
【目录】：

• 中文摘要10-11
• Abstract11-13
• 第一章 绪论13-30
• 1.1 引言13
• 1.2 超级电容器的概述13-16
• 1.2.1 超级电容器的结构13-14
• 1.2.2 超级电容器的工作原理14-15
• 1.2.2.1 双电层电容器的工作原理14
• 1.2.2.2 赝电容器的工作原理14-15
• 1.2.3 超级电容器的分类15
• 1.2.4 超级电容器的特点15-16
• 1.2.5 超级电容器的发展前景16
• 1.3 超级电容器电极材料16-22
• 1.3.1 金属化合物材料16-18
• 1.3.1.1 金属氧化物17
• 1.3.1.2 金属硫化物17
• 1.3.1.3 金属氮化物17-18
• 1.3.2 导电聚合物材料18-19
• 1.3.2.1 聚苯胺(PANI)18
• 1.3.2.2 聚吡咯(PPy)18-19
• 1.3.2.3 聚噻吩(PTh)19
• 1.3.3 碳材料19-22
• 1.3.3.1 活性炭(ACs)19-20
• 1.3.3.2 碳纳米管(CNTs)20-21
• 1.3.3.3 石墨烯21
• 1.3.3.4 模板炭21-22
• 1.3.3.5 含杂原子的碳材料22
• 1.4 本论文的选题依据、研究思路和主要内容22-24
• 参考文献24-30
• 第二章 棉花基活性炭超级电容器电极材料的制备及其性能研究30-45
• 2.1 引言30
• 2.2 实验部分30-33
• 2.2.1 实验试剂及仪器30-31
• 2.2.2 棉花基活性炭(CACs)材料的制备31-32
• 2.2.3 棉花基活性炭(CACs)材料的表征32
• 2.2.3.1 扫描电镜(SEM)形貌表征32
• 2.2.3.2 氮气吸-脱附比表面积(BET)表征32
• 2.2.3.3 X射线衍射(XRD)表征32
• 2.2.3.4 拉曼光谱(Raman)表征32
• 2.2.4 CACs电极材料的电化学性能测试32-33
• 2.2.4.1 三电极体系测试33
• 2.2.4.2 两电极体系测试33
• 2.3 结果与讨论33-41
• 2.3.1 结构与形貌分析34-36
• 2.3.1.1 CACs材料的SEM分析34-35
• 2.3.1.2 CACs材料的氮气吸-脱附比表面积(BET)分析35-36
• 2.3.1.3 CAC2材料的XRD和Raman分析36
• 2.3.2 CACs电极材料的电化学性能分析36-41
• 2.4 小结41-42
• 参考文献42-45
• 第三章 油渣基氮掺杂活性炭超级电容器电极材料的制备及其性能研究45-59
• 3.1 引言45
• 3.2 实验部分45-48
• 3.2.1 实验试剂及仪器45-46
• 3.2.2 油渣基氮掺杂活性炭(N-RCs)材料的制备46-47
• 3.2.3 油渣基氮掺杂活性炭(N-RCs)材料的表征47
• 3.2.3.1 扫描电镜(SEM)形貌表征47
• 3.2.3.2 透射电子显微镜(TEM)形貌表征47
• 3.2.3.3 氮气吸-脱附比表面积(BET)表征47
• 3.2.3.4 元素分析(EA)表征47
• 3.2.3.5 X射线衍射(XRD)表征47
• 3.2.3.6 拉曼光谱(Raman)表征47
• 3.2.4 N-RCs电极材料的电化学性能测试47-48
• 3.2.4.1 三电极体系测试48
• 3.2.4.2 两电极体系测试48
• 3.3 结果与讨论48-55
• 3.3.1 结构与形貌分析48-51
• 3.3.1.1 N-RCs材料的SEM分析48-49
• 3.3.1.2 N-RC2材料的TEM分析49-50
• 3.3.1.3 N-RCs材料的氮气吸-脱附比表面积(BET)和元素(EA)分析50-51
• 3.3.1.4 N-RC2材料的XRD和Raman分析51
• 3.3.2 N-RCs电极材料的电化学性能分析51-55
• 3.4 小结55-57
• 参考文献57-59
• 第四章 超高氮掺杂活性炭电极材料的制备及其在超级电容器中的应用研究59-73
• 4.1 引言59
• 4.2 实验部分59-62
• 4.2.1 实验试剂及仪器59-60
• 4.2.2 氮掺杂活性炭(N-PACs)材料的制备60
• 4.2.3 氮掺杂活性炭材料(N-PACs)的表征60-61
• 4.2.3.1 扫描电镜(SEM)表征60
• 4.2.3.2 氮气吸-脱附比表面积(BET)表征60-61
• 4.2.3.3 元素分析(EA)表征61
• 4.2.3.4 X射线光电子能谱(XPS)表征61
• 4.2.3.5 X射线衍射(XRD)表征61
• 4.2.3.6 拉曼光谱(Raman)表征61
• 4.2.4 氮掺杂活性炭(N-PACs)电极材料的电化学性能测试61-62
• 4.2.4.1 三电极体系测试61
• 4.2.4.2 两电极体系测试61-62
• 4.3 结果与讨论62-69
• 4.3.1 氮掺杂活性炭(N-PACs)材料的形貌与结构分析62-65
• 4.3.1.1 N-PACs材料的SEM分析62-63
• 4.3.1.2 N-PACs材料的氮气吸-脱附比表面积(BET)和元素(EA)分析63-64
• 4.3.1.3 N-PAC-2材料的XPS分析64
• 4.3.1.4 N-PAC-2 材料的XRD和Raman分析64-65
• 4.3.2 N-PACs电极材料的电化学性能分析65-69
• 4.4 小结69-70
• 参考文献70-73
• 硕士期间发表论文73-74
• 致谢74

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本文编号：1059643