超级电容器活性炭电极材料的掺氮、硼改性研究

发布时间：2017-08-12 09:13

  本文关键词：超级电容器活性炭电极材料的掺氮、硼改性研究

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【摘要】：众所周知,超级电容器的比电容主要受活性炭材料的孔隙结构和表面化学性质的影响,由于比表面积无法无限的扩大,因此对活性炭的表面进行改性引入杂原子通过产生法拉第电容从而提高活性炭的比电容已成为一个热点的研究课题。本论文采用磷酸法活性炭和KOH法活性炭为原料,以硝酸为氧化剂,三聚氰胺和硼酸为含氮和含硼前驱体,通过将活性炭浸渍后在不同温度下进行热处理的方法对活性炭进行了表面掺杂原子改性,分别得到掺氮改性活性炭和掺硼改性活性炭。考察了热处理温度对活性炭表面氮、硼元素结合状态的影响,探究了氧化对活性炭表面硼元素含量的影响,以及改性活性炭作为双电层电容器电极材料的电化学性能的影响。采用氮气吸附、元素分析、X射线光电子能谱及电化学测试等分析方法表征活性炭的孔隙结构、元素组成、表面官能团存在形式以及电化学性能。结果表明:活性炭的氮、硼掺杂改性不仅增强了活性炭表面对电解液离子的润湿能力,减少离子迁移的阻力,提高了比表面积的利用率和双电层的浓度;而且由于含氮和含硼官能团所具有的得失电子能力,促进活性炭表面发生氧化还原反应,从而产生了法拉第赝电容。经过分析,可以得出以下的具体结论:(1)随着热处理温度的升高,改性活性炭氮元素含量逐渐下降,由AC-N-500的8.49%下降为AC-N-900的4.16%;三聚氰胺改性活性炭比表面积和总孔容明显降低。三聚氰胺改性活性炭中含氮官能团主要存在形式是N-6、N-5、N-Q以及N-X,较低热处理温度下N-6型官能团为主要存在形式;随着热处理温度的升高,N-5和N-6型官能团逐渐转变为N-Q,N-Q含量增加,N-6含量略微下降,高温下以N-Q和N-6类型官能团居多。(2)含氮官能团的存在提高了活性炭的比电容。改性活性炭AC-N-700可制备出比电容达196F/g(电流密度0.1A/g)的活性炭电极材料,表明磷酸法活性炭具有作为双电层电容器电极材料的潜力。(3)热处理温度越高活性炭中硼元素含量越高。采用硼酸作为含硼前驱体改性不同品种活性炭,高温热处理有利于硼元素在活性炭中的掺杂,AC-B-900中硼元素含量可达2%;热处理温度越高活性炭的石墨化程度越高,孔隙结构略微变差但导电能力增强。(4)对不同品种活性炭进行预氧化比未氧化活性炭掺硼效果好。氧化导致活性炭的比表面积和孔容显著下降,在活性炭中引入大量的含氧官能团,高温下暴露出高活性位点与硼酸反应,可以制备出硼元素含量为3.63%的掺硼活性炭。氧化能够提高活性炭中硼元素的含量,硼元素在活性炭中以BC2O、BCO2和BC3形式存在。(5)氧化掺硼改性有效的提高活性炭电极的比电容。在0.1 A/g电流密度下,掺硼改性活性炭样品AC-O-B-800和KAC-O-B-800用作超级电容器电极材料充放电时间变长,比电容分别高达179F/g和186F/g,表明活性炭经过掺硼改性后能够显著提高比电容量,具备用作超级电容器材料的潜力。(6)氧化后浸渍硼酸改性能够提高活性炭电极材料的单位面积比电容。掺硼改性活性炭样品AC-O-B-800和KAC-O-B-800单位面积比电容相比未改性活性炭分别提高了2.11倍和2.35倍,比表面积利用率显著提高;掺硼改性活性炭的表面润湿性得到提高,电解质与电极界面间的阻抗减小,含硼官能团产生法拉第赝电容能够有效的提高活性炭的比电容量。
【关键词】：活性炭 三聚氰胺 硼酸 超级电容器 比电容
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM53
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1、文献综述10-23
• 1.1 活性炭的概述10-13
• 1.1.1 活性炭的物理化学性质10-12
• 1.1.1.1 活性炭的基本结构组成10-11
• 1.1.1.2 活性炭的表面化学结构11-12
• 1.1.2 活性炭表面掺杂原子的方法12-13
• 1.1.2.1 含杂原子前驱体炭活化法12
• 1.1.2.2 化学药品改性法12-13
• 1.1.3 活性炭表面改性的应用13
• 1.1.3.1 水处理13
• 1.1.3.2 催化反应13
• 1.1.3.3 超级电容器电极材料13
• 1.2 超级电容器发展概述13-15
• 1.3 法拉第赝电容器15-16
• 1.3.1 导电聚合物电容器15
• 1.3.2 金属氧化物电容器15-16
• 1.4 双电层电容器的研究进展16-20
• 1.4.1 双电层电容器组成16-18
• 1.4.1.1 极化电极17
• 1.4.1.2 隔膜17
• 1.4.1.3 电解液17-18
• 1.4.2 双电层电容器电极材料18-20
• 1.4.2.1 炭纳米管18-19
• 1.4.2.2 炭气凝胶19
• 1.4.2.3 活性炭粉末19-20
• 1.5 本论文的选题依据与意义20-21
• 1.6 本论文的研究内容与创新点21-23
• 1.6.1 研究内容21-22
• 1.6.2 创新点22-23
• 2、磷酸法活性炭的掺氮改性及其作为超级电容器电极材料的研究23-36
• 2.1 实验部分23-26
• 2.1.1 原料与试剂23-24
• 2.1.2 仪器与设备24
• 2.1.3 掺氮活性炭的制备24
• 2.1.4 掺氮活性炭的表征24-25
• 2.1.5 电化学性能测试25-26
• 2.2 结果与讨论26-35
• 2.2.1 元素分析26
• 2.2.2 表面官能团含量分析26-27
• 2.2.3 孔隙结构分析27-28
• 2.2.4 XPS分析28-30
• 2.2.5 循环伏安法测试30-32
• 2.2.6 恒电流充放电测试32-34
• 2.2.7 交流阻抗测试34-35
• 2.3 小结35-36
• 3．磷酸法活性炭的掺硼改性及其作为超级电容器电极材料的研究36-59
• 3.1 不同热处理温度下活性炭的掺硼和电化学测试36-47
• 3.1.1 实验部分36-38
• 3.1.1.1 原料与试剂36-37
• 3.1.1.2 仪器与设备37
• 3.1.1.3 掺硼活性炭的制备37
• 3.1.1.4 掺硼活性炭的表征37-38
• 3.1.1.5 电化学性能测试38
• 3.1.2 结果与讨论38-46
• 3.1.2.1 元素分析38-40
• 3.1.2.2 孔隙结构分析40-41
• 3.1.2.3 XPS分析41-42
• 3.1.2.4 循环伏安法测试42-44
• 3.1.2.5 恒电流充放电测试44-46
• 3.1.2.6 交流阻抗测试46
• 3.1.3 小结46-47
• 3.2 氧化对活性炭掺硼的影响和电化学测试47-59
• 3.2.1 实验部分47-49
• 3.2.1.1 原料与试剂47
• 3.2.1.2 仪器与设备47-48
• 3.2.1.3 掺硼活性炭的制备48
• 3.2.1.4 掺硼活性炭的表征48
• 3.2.1.5 电化学测试分析48-49
• 3.2.2 结果与讨论49-58
• 3.2.2.1 元素分析49-50
• 3.2.2.2 孔隙结构分析50-51
• 3.2.2.3 XPS分析51-53
• 3.2.2.4 循环伏安法分析53-54
• 3.2.2.5 恒电流充放电测试结果54-57
• 3.2.2.6 交流阻抗测试57-58
• 3.2.3 小结58-59
• 4．KOH法活性炭的掺硼改性及其作为超级电容器电极材料的研究59-70
• 4.1 活性炭掺硼的影响和电化学测试59-70
• 4.1.1 实验部分59-61
• 4.1.1.1 原料与试剂59-60
• 4.1.1.2 仪器与设备60
• 4.1.1.3 掺硼活性炭的制备60
• 4.1.1.4 掺硼活性炭的表征60-61
• 4.1.1.5 电化学测试分析61
• 4.1.2 结果与讨论61-68
• 4.1.2.1 元素分析61-62
• 4.1.2.2 孔隙结构分析62-64
• 4.1.2.3 XPS分析64-65
• 4.1.2.4 循环伏安法测试65-66
• 4.1.2.5 恒电流充放电测试66-68
• 4.1.2.6 交流阻抗测试68
• 4.1.3 小结68-70
• 5、结论70-71
• 参考文献71-79
• 攻读学位期间发表的学术论文79-80

【参考文献】

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本文编号：660817