以淀粉为碳源的碳微球制备及性能测试

发布时间：2020-07-28 10:08

【摘要】：中空碳球具有优良的导电、导热、化学性质稳定、比表面积大和孔隙结构发达等特点,被广泛用作超级电容器的电极材料、吸附剂材料和催化剂载体等,但其合成方法多采用模板法,这种方法工艺复杂,因此本论文开发了一种新的、工艺简单的中空碳球的制备方法,并考察所制备中空碳球的超级电容性能。本论文是以碳酸钾/碳酸氢钾溶液预处理的淀粉为碳源,碳化后获得中空碳微球。对合成中空碳微球的影响因素进行系统地研究。结果表明预处理溶液pH值及浓度、碳化升温速率、碳化温度和碳化时间等对中空碳微球的形成有着重要影响；对中空碳微球的形成机理也进行了探讨,碳酸钾／碳酸氢钾在碳化过程中阻碍淀粉糊化,使淀粉颗粒的球形形貌得以保持；同时碳化过程中形成的水蒸气和二氧化碳可能在淀粉颗粒内部形成原位模板,进而获得具有中空结构的碳微球。所制备的中空碳微球的超级电容器性能进行研究。其中具体考察中空碳微球微观形貌、孔结构及活性官能团等特征对超级电容器性能的影响。通过对中空碳球不同合成条件所得样品的超级电容性能研究,筛选出具有最佳性能的中空碳球的合成工艺条件：淀粉浓度为3%、缓冲溶液浓度为05 mol L-1、碱性的体系(pH=9-12)、反应时间为15 h、升温速率为1℃ min-1、碳化温度为800℃和保温时间为10 h,制得单分散、粒径分布相对较均匀和形貌易控的中空碳微球。同时也研究了不同碳化时间所得中空碳球的比表面积、导电性和表面官能团对超电容性能的影响。6 MKOH电解液中,循环伏安法测试结果表明,该材料在扫速5 mV s-1比容量高达317 F g-1,在300 mV s-1的高扫速下,其比容量仍能达到222.2 F g-1；恒流充放电测试结果显示在电流密度1 A g-1时容量为265.4 F g-1,高电流密度100 A g-1时容量为137.9 F g-1。在电流密度1、2、5、10和l A g-1下分别进行5000圈循环,每个电流密度下容量保持率均高于99.6%,且由于质量含量较高的含氧官能团存在,使该材料在水系电解液的操作电压扩展至1.5 V。该材料在电流密度为100Ag-1时,功率密度高达100 kW kg-1；而在电流密度为10Ag-1、电压为1.4 V时,材料的比容量为286 F g-1,能量密度为77.88 Wh kg-1,功率密度为14 kW kg-1。
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11

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本文编号：2772730