煤基多孔炭材料的制备及其电容性能研究

发布时间：2019-08-15 06:35

【摘要】：多孔炭材料由于具有大的比表面积、可调的孔隙结构、优良的耐热、耐酸碱性和独特的电子传导性,而被广泛应用于储能、吸附、催化等领域。如何利用优质、绿色、廉价的碳源制备性能优异的多孔炭材料,已成为当前材料领域研究的热点。在众多碳源中,煤炭储量丰富、含碳量高、价格低廉,成为了当前生产碳材料的重要原料。本论文以开发高附加值的煤基多孔炭材料为目标,选用新疆烟煤为原料,采用混酸液相氧化法对原煤进行改性处理,制备了能溶于水溶液的可溶性煤。再以可溶性煤为前驱体,分别采用静电纺丝、超声雾化热解、真空冷冻干燥法制备了煤基多孔炭材料。对可溶性煤在水溶液中的溶解性及溶解机理进行了系统研究,同时对制备的煤基多孔炭材料结构、形貌进行分析,探讨其形成机理,并考察了多孔炭材料在超级电容器方面的应用。本文的主要研究内容及结果如下:(1)利用混酸(浓硫酸和浓硝酸)对原煤进行改性处理,经洗涤、干燥后得可溶性煤。考察了该类材料在水溶液中的溶解性,分析探讨了不同类型表面活性剂和pH值对溶解性的影响,研究其溶解机理。结果表明,混酸作用下,原煤分子结构发生了氧化、磺化、硝化等反应,分子结构间连接较弱的键断裂,煤大分子基本结构单元基本保留,而分子边缘、杂环或侧链处引入了大量含氧官能团,通过含氧官能团与碱相互作用促使可溶性煤溶于水溶液。(2)以可溶性煤为前驱体,聚乙烯醇(PVA)为助纺剂,采用静电纺丝法制备了柔性煤基多孔炭纤维。研究了PVA与可溶性煤的质量比对煤基多孔炭纤维形貌、结构及电化学性能的影响,探讨了煤基多孔炭纤维的形成机理。结果表明,炭纤维的比表面积随着可溶性煤含量的增加而变大,PVA和可溶性煤质量比为1:1时,电化学性能最好,电流密度为1 A g~（-1）时,比电容为170 F g~（-1）,同时该材料具有良好的电化学循环稳定性。(3)以可溶性煤的水溶液为前驱体,采用超声雾化热解法,成球、炭化和活化一步完成,制备了煤基多孔炭球。系统考察了温度、碱源对煤基多孔炭球结构、形貌和电化学性能的影响,探讨了煤基多孔炭球的形成机理。结果表明,热解温度越高,比表面积和总孔容就越大;相同热解温度下,KOH作为碱源,比表面积最大;十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为碱源制备的炭球电化学性能最佳,在三电极和两电极体系,均具有良好的倍率性能和循环稳定性,当电流密度为1 A g~（-1）时,比电容分别为227 F g~（-1）和162 F g~（-1）。(4)以可溶性煤为原料,PVA为交联剂,首先制备了煤基水溶胶,通过真空冷冻干燥法,制备了煤基炭气凝胶。研究了溶液pH值、碱源对样品形貌、结构和电化学性能的影响,并探讨了煤基炭气凝胶的形成机理。结果表明,当溶液pH13时,煤基炭气凝胶的比表面积最大,可达1852.09 m2 g~（-1）。不同碱源下样品比表面积大小顺序为KOHKHCO3SDBSNH3.H2O。KOH作为碱源时,样品的电化学性能最好,在三电极体系,1 A g~（-1）电流密度下,比电容可达245 F g~（-1）。
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孔隙结构模型

第一章绪论是一种具有丰富孔隙结构的材料，根据国际纯粹与应分类标准，按照孔径大小可将其分为三类：微孔（孔径 2~50 nm）、大孔（孔径 > 50 nm），如图 1-1 所示学中发展较为迅速的一种材料，由于具有孔道结构规小可调等优点，被广泛应用于吸附分离、储能、催化多多孔材料中，碳质材料由于具有相对密度低、质、耐酸碱、无毒、易于加工等特性，备受诸多国际学

活性炭,生物质材料,预处理,碳源

新疆大学博士学位论文1300 m2g-1，平均孔径分布在 0.9~1.3 nm 的活性炭。Lee 等[23]用废纸获积为 526 m2g-1的活性炭，，在 KOH 电解液中的比电容值为 180 F g-1榴莲皮为原料，经 H3PO4活化，制备了比表面积 1024 m2g-1，总孔容-1，微孔孔容 0.21 cm3g-1，平均孔径 2.5 nm 的活性炭。Subhsibayam[25]用ZnCl2作活化剂，椰子壳纤维做碳源，制备了比表面积为9孔孔容 0.13 cm3g-1，总孔容 0.36 cm3g-1，孔径为 1.6 nm 的活性炭。Go究了用杏核、桃核、橄榄核以及杏树枝作碳源前驱体制备的活性炭分别在 850oC 水蒸气活化 0.5 h，发现杏树枝的比表面积可达 1080 m
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;TB383.4

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