碳材料的制备、改性及其电化学电容性能研究

发布时间：2017-10-21 01:42

  本文关键词：碳材料的制备、改性及其电化学电容性能研究

  更多相关文章： 超级电容器 热剥离 石墨烯 介孔碳 生物质活性炭

【摘要】：随着传统化石能源的日益短缺和使用化石能源带来的环境污染问题日益严峻,21世纪的人们迫切需要开发新型绿色、可持续、高能效的清洁能源。超级电容器是一种新型能源储存器件,兼有传统电容器和电池的优点,比如功率密度大、充放电速度快、循环稳定性好、环境友好等。而超级电容器电化学性能主要取决于电极材料,人们为制备出理想的超级电容器电极材料做出了很多努力。本文在大量文献调研的基础上,将研究重点放在经久不衰又充满活力的碳材料上,以提高碳材料作为超级电容器电极材料的电化学性能为核心,开展了以下三个工作:(1)热膨胀法是一种快速制备大量优质石墨烯的有效方法,人们通常认为影响热膨胀石墨烯微观结构和性能的主要因素为环境气压、温度和使用的酸或者有机物的种类,但尚无人关注热膨胀之前用到的物理处理过程是否有意义,酸的加入是否有副作用。我们以氧化石墨粉(Graphite Oxide,GO)为原料,通过比较不同物理前处理和不同酸辅助制备的热膨胀石墨的微观结构和电容性能发现:不同的前处理方法对石墨烯的微观结构、比表面积和电化学性能有很大影响。物理前处理能在剪切GO的同时对其进一步氧化,这有利于GO在热还原过程中的膨胀和剥离,并且超声比搅拌的效果更好。与文献报道的不同,在超声过程中引入酸反而会导致热膨胀石墨烯比表面积的缩小,这是因为酸会引起GO强烈的自组装和一定程度上的聚沉。不过,在热膨胀过程中酸会分解,并与碳原子发生反应,从而产生更多的孔,丰富的孔结构有利于电解液的快速扩散。作为超级电容器电极材料,除了比表面积,孔结构也会对其电化学性能产生影响,实验证明酸辅助超声得到的石墨烯虽然比表面积有所减小,但由于孔结构的改善,电化学性能更好,比电容高达238 F g-1。物理前处理和不同挥发性酸对热膨胀石墨烯具体的作用在本文的第三章进行了详细讨论。(2)基于上述对热膨胀石墨烯制备过程的研究成果,我们选择了在超级电容器中应用最早的活性炭(ACs),对碳材料的制备过程进行进一步探究和优化。我们以生物质为碳源,不同于传统的有机物热解—碱活化制备活性炭的方式,采用H_2O2/HAc活化—碳化法制备出了高性能活性炭。以莲蓬壳为原材料,用H_2O2/HAc混合液对其进行水热活化后,在700°C碳化得到电化学性能优异的活性炭(C-H_2O2/HAc)。C-H_2O2/HAc的比表面积高达1056 m2 g-1,在0.5 A g-1下的比电容为330 F g-1。为分析不同处理过程对产物微观结构和电化学性能的影响,我们还考察了单一组分对莲蓬的活化效果。分析测试结果表明:在水热过程中,H_2O2对莲蓬壳有腐蚀和促进氧化的作用,有利于碳化过程中形成更多的孔;HAc可以促进莲蓬壳在碳化过程中剥离得到更为疏松的活性炭薄层。这种制备活性炭的方法为碳化生物质材料并应用到能源存储方面提供了一种新的途径。(3)有序介孔碳(OMC)拥有形成双电层电容所需的大比表面积和合适孔道,是超级电容器中理想的支撑材料,但其储能方式单一,能量密度偏低。聚苯胺(PANI)是具有高度可逆氧化还原反应的赝电容材料,比电容高,但材料结构易坍塌,循环稳定性差。将OMC和PANI复合用于超级电容器的文献报道有很多,本文以Mn2O3为牺牲模板,不仅将PANI有效地固定在了OMC上,还实现了在OMC上不同PANI负载量的控制合成。微观结构分析表明,PANI薄膜均一地覆盖在OMC上,通过调控Mn2O3/OMC中Mn2O3的量能有效的控制合成PANI负载量不同的PANI/OMC复合材料。作为超级电容器电极材料,PANI/OMC复合材料的比电容高达467 F g-1,远高于单一的OMC、Mn2O3/OMC和PANI。此外,不同PANI负载量对PANI/OMC复合材料的电化学性能的影响在第五章也进行了详细分析。
【关键词】：超级电容器 热剥离 石墨烯 介孔碳 生物质活性炭
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TM53
【目录】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 引言12
• 1.2 超级电容器概述12-14
• 1.2.1 超级电容器结构单元12
• 1.2.2 超级电容器的发展状况12-13
• 1.2.3 超级电容器的应用前景13-14
• 1.3 超级电容器的储能原理14-16
• 1.3.1 双电层电容的储能原理14
• 1.3.2 赝电容的储能原理14-15
• 1.3.3 混合电容器的储能原理15-16
• 1.4 超级电容器的特点16
• 1.5 超级电容器电极材料16-23
• 1.5.1 金属氧化物/氢氧化物电极材料17-19
• 1.5.2 导电聚合物19-20
• 1.5.3 碳材料20-23
• 1.6 本文的选题依据和研究内容23-26
• 第2章 实验方法26-30
• 2.1 试剂与仪器26-27
• 2.2 材料表征技术27-28
• 2.2.1 X射线粉末衍射分析(XRD)27
• 2.2.2 场发射扫描电子显微镜(FESEM)27
• 2.2.3 透射电子显微镜(TEM)27
• 2.2.4 X射线光电子能谱分析(XPS)27-28
• 2.2.5 比表面积及孔径分布测试(BET)28
• 2.2.6 红外光谱分析（FTIR）28
• 2.2.7 热分析28
• 2.3 电极材料电化学性能测试方法28-30
• 2.3.1 电极制备28-29
• 2.3.2 实验装置29
• 2.3.3 循环伏安性能测试29
• 2.3.4 恒流充放电测试29
• 2.3.5 交流阻抗测试29-30
• 第3章 实验探究前处理工艺对热剥离石墨烯的微观结构和超电容性能的影响30-40
• 3.1 引言30-31
• 3.2 实验部分31
• 3.2.1 不同物理前处理方法制备热膨胀石墨烯31
• 3.2.2 不同酸辅助制备热膨胀石墨烯31
• 3.3 结果与讨论31-39
• 3.3.1 GO和热膨胀石墨烯的XRD表征31-32
• 3.3.2 GO和热膨胀石墨烯的形貌分析32-34
• 3.3.3 GO和热膨胀石墨烯的N_2吸脱附测试34-35
• 3.3.4 GO和 热膨胀石墨烯前驱体的FT-IR表征35-36
• 3.3.5 GO和热膨胀石墨烯的XPS表征36-37
• 3.3.6 GO和热膨胀石墨烯的电化学测试37-39
• 3.4 结论39-40
• 第4章 H_2O_2/HAC活化—碳化法制备活性炭及其电化学性能研究40-46
• 4.1 引言40
• 4.2 实验部分40-41
• 4.2.1 C-H_2O_2/HAc样品前驱体的制备40-41
• 4.2.2 碳化制备C-H_2O_2/HAc样品41
• 4.3 结果与讨论41-45
• 4.3.1 C-H_2O、C-H_2O_2、C-HAc和C-H_2O_2/HAc的形貌分析41-42
• 4.3.2 C-H_2O、C-H_2O_2、C-HAc和C-H_2O_2/HAc的XRD表征42
• 4.3.3 C-H_2O、C-H_2O_2、C-HAc和C-H_2O_2/HAc的N_2吸脱附测试42-43
• 4.3.4 C-H_2O、C-H_2O_2、C-HAc和C-H_2O_2/HAc的电化学性能测试43-45
• 4.4 结论45-46
• 第5章 介孔碳固定聚苯胺复合材料的制备及在超级电容器中的运用46-52
• 5.1 引言46-47
• 5.2 实验部分47
• 5.2.1 Mn_2O_3/OMC复合材料的合成47
• 5.2.2 PANI/OMC复合材料和PANI的合成47
• 5.3 结果与讨论47-51
• 5.3.1 OMC, Mn_2O_3/OMC和PANI/OMC的XRD和FT-IR表征47-48
• 5.3.2 OMC, Mn_2O_3/OMC和PANI/OMC复合材料的形貌分析48-49
• 5.3.3 Mn_2O_3/OMC和PANI/OMC复合材料的热重分析49
• 5.3.4 OMC, Mn_2O_3/OMC和PANI/OMC复合材料的电化学测试49-51
• 5.4 结论51-52
• 第6章 总结与展望52-54
• 6.1 总结52
• 6.2 展望52-54
• 参考文献54-62
• 致谢62-64
• 硕士期间发表的学术论文64

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本文编号：1070586