生物质碳源制备低维碳材料及其电化学性能的研究

发布时间：2020-11-22 08:51

　　 随着工业革命的发展,能源枯竭,寻找一种新型能源正被各国科研工作者广泛研究,超级电容器作为一种新型储能器件,拥有着高功率密度、长循环周期以及能够快速充放电等特点,正逐渐的把它推向新能源领域的研究热点问题。但超级电容器的能量密度相对于锂离子电池更低,寻找一种高能量密度的超级电容器电极材料是其研究重点。本论文旨在利用来源丰富、价格低廉、导电率高以及稳定性好的生物质碳材料作为前驱体制备出稳定的碳基双电层电容器,优化碳材料的结构与性能,最终在碳基超级电容器中同时实现功率密度、能量密度、循环性能,且具有高比表面积和高孔隙率的实用性双电层电容器,实验步骤具体为:(1)通过糯米作为碳源,KOH作为造孔剂直接进行活化,有效地在糯米表面造出了孔隙,这些孔隙为电解质离子的传输提供了优秀的通道,同时还提高了材料比表面积和孔隙率,使得材料的电化学性能获得了大幅度地提升。在最优条件下,所获得的K2AC-1:5-700电极性能远高于AC-700,在电流密度为0.5 A·g~(-1)下,其单位比电容为236 F·g~(-1),电流密度在8 A·g~(-1)下,20000个循环后,容量保持率为82%。(2)利用分级碳化法制备出结构更加稳定的多孔碳材料,在这种分级碳化法制备出的多孔碳材料中,高度稳定的多孔结构以及更高的比表面积有效地提供了快速的电子传输通道,分级碳化法制备的多孔碳材料确保了分层的孔状结构,使得材料的孔隙更加均匀,深入,形成大孔套小孔的结构,确保了离子扩散速率和活性材料的充分利用,优异的协同效应使得该电极具备了极高的比电容值与循环稳定性。所获得的材料Na-KCAC-1:5-700,在电流密度为0.5 A·g~(-1)下,其单位比电容为247 F·g~(-1),电流密度在8 A·g~(-1)下,20000个循环后,容量保持率为76%。(3)利用Mg(OH)_2原位模板法,首次将糯米作为碳源的生物质碳基材料制备成独特的层状类石墨烯碳模板。基于该模板在高温碳化后获得了由单层/少层的类石墨烯3D网状结构的多孔碳材料。亦既是用一种全新的方法实现了多孔碳材料的制备。在结构以及稳定性上表现出了独特的特性,展现出了碳材料出色的双电层电容潜力,获得了高比表面积1371.5 m~2·g~(-1)和孔隙率2.351 cm~3·g~(-1),在电流密度为0.5 A·g~(-1)下,单位比电容为289.9 F·g~(-1),以及在电流密度在8 A·g~(-1)下,20000个后容量保持率仍为88%,表现出了优异的电化学性能。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ127.11;TM53
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 超级电容器
        1.2.1 超级电容器的简介
        1.2.2 超级电容器的发展进程
        1.2.3 超级电容器的储能机理
        1.2.4 超级电容器的测试方法
        1.2.5 电极材料的种类
        1.2.6 超级电容器的优势
    1.3 碳基超级电容器的研究现状
        1.3.1 碳基电极材料
        1.3.2 多孔碳材料的制备方法
        1.3.3 碳基超级电容器的优势及碳材料性能对比
    1.4 选题依据及主要工作
第二章 实验部分
    2.1 实验试剂与仪器
        2.1.1 实验试剂
        2.1.2 实验仪器
    2.2 材料的形貌结构表征手段
        2.2.1 X射线衍射
        2.2.2 X射线光电子能谱
        2.2.3 拉曼光谱
        2.2.4 氮气吸附/脱附实验
        2.2.5 扫描电子显微镜
        2.2.6 透射电子显微镜
    2.3 电化学性能测试
        2.3.1 循环伏安测试
        2.3.2 恒流充放电测试
        2.3.3 交流阻抗测试
        2.3.4 循环稳定性测试
    2.4 本章小结
第三章 KOH活化法制备多孔碳材料及电化学性能研究
    3.1 前言
    3.2 实验部分
        3.2.1 电极材料的制备
        3.2.2 电极的组装
        3.2.3 电极材料的结构表征及其电化学性能测试
    3.3 实验结果及分析讨论
        3.3.1 电极材料的形貌及结构表征
        3.3.2 电极材料的电化学性能及分析
    3.4 本章小结
第四章 分层多孔碳材料的制备及电化学性能研究
    4.1 前言
    4.2 实验部分
        4.2.1 电极材料的制备
        4.2.2 电极的组装
        4.2.3 电极材料的结构表征及电化学性能测试
    4.3 实验结果及分析讨论
        4.3.1 电极材料形貌及结构表征
        4.3.2 电极材料的电化学性能及分析
    4.4 本章小结
第五章 模板法制备多孔碳材料及电化学性能研究
    5.1 前言
    5.2 实验部分
        5.2.1 电极材料的制备
        5.2.2 电极的组装
        5.2.3 电极材料结构表征及其电化学性能测试
    5.3 实验结果及其分析讨论
        5.3.1 电极材料结构及其形貌表征
        5.3.2 电极材料的电化学性能及分析
    5.4 拓扑效应对电化学性能的影响
    5.5 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间取得的成果

【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 Khu Le Van;Thu Thuy Luong Thi;;Activated carbon derived from rice husk by NaOH activation and its application in supercapacitor[J];Progress in Natural Science:Materials International;2014年03期

本文编号：2894441