生物质废弃物基高性能多孔碳材料的制备及其在超级电容器中的应用

发布时间：2017-08-13 05:28

  本文关键词：生物质废弃物基高性能多孔碳材料的制备及其在超级电容器中的应用

  更多相关文章： 豆渣 马铃薯废渣 葵花秸秆髓 多孔碳 超级电容器

【摘要】：超级电容器,也称为电化学电容器,是一种化学储能装置,其高的能量密度和功率密度可以弥补常规电池和传统电容器功率密度和能量密度过低的缺点。近几年,超级电容器由于具有高的功率密度、快速充放电、长的循环寿命以及对环境友好等特点越来越受到人们的青睐。超级电容器能够在短时间内储存和释放电能,这使得其能适应高级工业设备所需的电能,电动和混合动力电动汽车和智能电网的应用程序。高比表面积的多孔材料作为超级电容器电极材料能够很好地提高其比电容。碳材料具有多孔结构、高的表面积、良好导电性、优异的循环稳定性、可逆的电能存储容量以及高的储能能力,这些条件能够满足作为超级电容器电极材料的需要。在本文中,我们用低成本的生物质废弃物作为碳源,通过直接碳化、化学活化剂ZnCl_2、ZnCl_2和FeCl_3活化等活化方法制备了具有高比表面积的多孔碳材料作为超级电容器电极材料。并对所制备的活性碳材料做了孔结构分析、表面化学特性研究以及电化学性能测试,并将结果同已报道的生物质废弃物碳材料做了比较,发现我们所制备的碳材料具有更优异的电化学性能。主要研究的内容和所得结果如下:1、通过一步碳化法直接碳化生物质废弃物豆渣来制备氮掺杂的活性碳材料。我们通过扫描电镜、透射电镜、氮气吸脱附、X射线光电子能谱对材料的形态学结构做了测试和分析。在700oC下碳化的活性炭材料呈现出良好的形态学结构和优异的电化学性能。在电流密度为0.5 A g-1时比电容达到了215 F g-1,经过5000次充放电循环,依然保持了良好的电容性。将其组装成对称电容器装置,在功率密度为236 W Kg-1时能量密度达到9.95 Wh kg-1。由于这种高性能多孔碳超级电容器电极材料具有高的比表面积和有效的氮含量,使其具有很高的潜在引用价值。2、以农业废弃物马铃薯废渣为原料制备了一种低成本高性能的氮掺杂多孔碳材料。在制备过程中我们用马铃薯废渣为碳源,三聚氰胺为氮源,ZnCl_2为化学活化剂。我们通过扫描电镜(SEM)、氮气吸脱附、X-射线衍射(XRD)和拉曼实验研究了所制备材料的形态学结构。当活化温度为700oC时所制备的氮掺杂多孔碳材料的比表面积高达1052 m2/g,在2 M KOH电解质中,电流密度为0.5A g-1时比电容高达255 F g-1。电极材料也表现出优异的循环稳定性,在电流密度为5A g-1时,经过5000次循环恒电流充放电,其比电容依然保持93.7%。3、以葵花秸秆髓为原料通过ZnCl_2和FeCl_3化学活化碳化制备了多孔碳材料。我们所制备的葵花秸秆基多孔碳材料(PSMCs)具有大量的微孔和介孔存在,其比表面积达到了1628.5 m2 g-1,孔体积高达2.34 cm3 g-1。作为电极材料,PSMCs在电流密度为0.5 A g-1时拥有高达252.5 F g-1的比电容。以PSMCs为电极材料组装成的对称超级电容器器件在电位窗口为0.2V 0.5M Na_2SO_4溶液电解质中,功率密度为817 Wkg-1时能量密度达到了12.4 Wh kg-1。经过5000次恒电流充放电循环,其比电容依然能够保持97%,展现出优异的循环稳定性能。
【关键词】：豆渣 马铃薯废渣 葵花秸秆髓 多孔碳 超级电容器
【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】：

• 摘要9-11
• Abstract11-13
• 第一章 绪论13-29
• 1.1 引言13
• 1.2 超级电容器概述13-14
• 1.3 超级电容器的结构和主要参数14-15
• 1.4 超级电容器的分类和工作原理15-18
• 1.4.1 双电层电容器工作原理16-17
• 1.4.2 法拉第准电容器（赝电容器）的工作原理17-18
• 1.5 超级电容器碳电极材料的研究18-22
• 1.5.1 活性炭18-19
• 1.5.2 炭黑19-20
• 1.5.3 碳气凝胶20
• 1.5.4 碳纤维20-22
• 1.5.5 玻璃碳22
• 1.6 碳纳米管22-26
• 参考文献26-29
• 第二章 一步碳化豆渣制备氮掺杂多孔碳材料及其在超级电容器中的应用29-51
• 2.1 引言29-30
• 2.2 实验部分30-34
• 2.2.1 实验试剂及实验仪器30-31
• 2.2.2 氮掺杂多孔碳材料的制备31-32
• 2.2.3 材料结构分析表征方法32-33
• 2.2.4 电化学性能测试33-34
• 2.3 结果与讨论34-41
• 2.3.1 氮掺杂多孔碳扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）分析34-35
• 2.3.2 氮掺杂多孔碳XRD分析35-36
• 2.3.3 氮掺杂多孔碳Raman分析36-37
• 2.3.4 孔结构和分析37-39
• 2.3.5 XPS和元素分析39-41
• 2.4 电化学行为和特征41-47
• 2.4.1 三电极电化学行为测试41-45
• 2.4.2 两电极设备电化学行为测试45-47
• 2.5 小结47-48
• 参考文献48-51
• 第三章 马铃薯废渣基氮掺杂多孔碳材料在超级电容器中的应用51-65
• 3.1 前言51-52
• 3.2 实验部分52-53
• 3.2.1 实验试剂及仪器52-53
• 3.2.2 氮掺杂多孔碳材料N-PCs的制备53
• 3.3 材料结构分析表征方法53
• 3.3.1 扫描电镜分析（SEM）53
• 3.3.2 X射线衍射（XRD）53
• 3.3.3 Raman光谱分析53
• 3.3.4 氮气吸附分析53
• 3.3.5 元素含量分析53
• 3.4 电化学性能测试53-54
• 3.5 结果与讨论54-62
• 3.5.1 N-PCs-x形貌特征54-59
• 3.5.2 N-PCs-x电化学性能测试59-62
• 3.6 小结62-63
• 参考文献63-65
• 第四章 葵花秸秆髓多孔碳电极材料在高性能超级电容器中的应用65-82
• 4.1 前言65-66
• 4.2 实验部分66-67
• 4.2.1 实验试剂及仪器66-67
• 4.2.2 高比表面积网状多孔碳的合成67
• 4.3 材料结构分析表征方法67-68
• 4.3.1 扫描电镜分析（SEM）67
• 4.3.2 X射线衍射（XRD）67
• 4.3.3 Raman光谱分析67-68
• 4.3.4 氮气吸附分析68
• 4.3.5 元素含量分析68
• 4.4 电化学性能测试68-69
• 4.4.1 三电极测试68
• 4.4.2 两电极测试68-69
• 4.5 电化学性能评估69
• 4.6 结果与讨论69-74
• 4.6.1 材料扫描电镜分析69-70
• 4.6.2 材料孔结构分析70-72
• 4.6.3 材料的XRD分析72-73
• 4.6.4 材料的Raman分析73-74
• 4.7 电化学特性测试74-79
• 4.7.1 三电极电化学特性74-77
• 4.7.2 两电极电池测试77-79
• 4.8 小结79-80
• 参考文献80-82
• 攻读硕士研究生期间参研项目语发表的科研成果82-83
• 致谢83

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本文编号：665626