杂原子掺杂生物质基超级电容器电极材料的制备与电性能研究
发布时间：2021-04-09 21:09
生物质基多孔炭超级电容器电极材料是一种以生物质为原料制备而成的电极材料,应用于超级电容器领域。本论文以几种生物质为原料,利用其良好的表面修饰性、廉价易得性以及可工业化应用等优势,制备出杂原子掺杂超级电容器电极材料。研究内容如下:（1）氮掺杂竹活性炭材料（NC）以竹炭为炭前驱体,三聚氰胺为氮源制备而成,通过控制活化时的炭碱比,研究其电化学性能。结果表明在1 A/g电流密度下比电容量高达224 F/g,相对于空白样（BC-1）比电容量提高了86.6%。在10 A/g电流密度下经5000次循环充放电后仍可达到93%的初始电容保持率。（2）以竹粉为炭前驱体,三聚氰胺为氮源,K2CO3为预活化剂,通过物理机械预处理在竹粉表面成功接入含氮官能团,通过两次活化工艺成功制备了氮掺杂竹基多孔炭电极材料（N-BC）。在两电极体系测试中,N-BC-3不仅表现出高的比电容量（0.1 A/g时为258 F/g）,还具有出色的循环稳定性能（5000次充放电循环后电容保持率为97.4%）。（3）以玉米芯为原料,采用亚硫酸盐制浆工艺提取磺酸盐,以十六烷基三甲基溴化铵（CTA...
【文章来源】：北京林业大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器装置及其各个组件的示意图（Zequineetal.，2016）
杂原子掺杂生物质基超级电容器电极材料的制备与电性能研究2基于以上的储能机理，生物质基超级电容器材料大致分为两类。一类为纯炭基电极材料，一般通过炭化（形成介孔）和活化（形成微孔）工艺使竹炭材料具有极高的比表面积，可实现双电层电容特性。另一类以炭材料作为（生长或复合）基底材料，一般采用预处理工艺将赝电容材料与多孔炭材料进行复合，实现在充放电过程中性能的扩增。开发高比表面积、合理孔径比例的炭材料对实现商业化生产具有高比容量的超级电容器具有重要意义，因而近年来成为研究热点，备受各国研究学者的关注。1.2炭材料制备过程简介图1.2生物质在高温下炭化和活化过程示意图（Shietal.，2017）。Fig.1.2Schematicdiagramofcarbonizationandactivationofbiomassathightemperatures.炭材料的制备过程主要分为炭化和活化过程两步（如图1.2所示）（Shietal.，2017）。炭化过程通常采用直接高温炭化或者水热炭化方法，使炭前驱体中所含的生物质高分子在高温或高压下形成有序的碳结构，分子链上的-OH和-H经过一系列的物理化学反应，形成的五元碳环或六元碳环构成了有序的碳网络（Tianetal.，2015）。之后的活化过程是对炭材料进行造孔和修饰的过程，主要的活化试剂有氢氧化钾（KOH）（Gunaseketal.，2018）、磷酸（H3PO4）（Ahresthaetal.，2016）和水蒸气等。制备的炭材料通常具备高比表面积、丰富的微孔和适量的介孔，可实现基于电极/电解液界面储存能量的双电层电容特性，这也是其优异电化学性能的关键。不同活化方
杂原子掺杂生物质基超级电容器电极材料的制备与电性能研究4图1.3石墨功能化炭气凝胶合成路线示意图及其电子扫描显微镜图（杨胜杰等，2011）。Fig.1.3SchematicofgraphenefunctionalizedcarbonxerogelandSEMmicrostructural.与上述传统的工艺流程和活化方式不同，杨胜杰等（2011）将竹粉与碱（KOH）混合后直接通过微波炭化获得电极材料，由于微波炭化工艺具有加热均匀、能耗低、速度快、效率高等优点，采用该工艺可增加生物质内部的活性位点，有利于形成更为发达的孔隙结构。研究表明，增加微波功率可有效降低竹基多孔炭材料的内阻，在最佳微波功率（720W）条件下所制备电极材料的比电容量可高达244.2F/g。王玉新等（2008）采用80%磷酸作为活化剂，通过控制浸渍时间调节竹材纤维素的水解比例和其他组分的抽出程度，从而调控所制备炭材料中微孔和介孔的比例，在最优化条件下（磷酸浸渍3天、500℃活化3h）制备的竹炭材料，比表面积高达2127m2/g、总孔容为1.347cm3/g，介孔占比为40.14%，区别于KOH活化的椰壳（20%）和竹（35%）炭材料。用其作为电极材料制的电容器，当电流密度从0.05A/g增加到1A/g时，比电容量由171F/g减少到149F/g，电容保持率高达87%。竹炭材料电极材料常采用炭化活化工艺制备（Yangetal.，2014；Chenetal.，2017；Zhangetal.,2018），流程简单易用、生产成本低、干扰因素少，并且具有一定的循环稳定性。同时，可以通过控制活化工段的温度（700-1000℃）与炭碱比（1:1-1:4）就可以对竹炭材料内部的孔隙结构及分布进行有效调控，从而使竹炭基材料具有最优异的电性能。但是，单一的竹炭材料仅依靠内部的孔隙（大孔、介孔及微孔）对电解液中离子的吸附和解吸作用实现能量储存与释放，该储能机理导致纯竹炭材料很难突破本身比电
【参考文献】：
期刊论文
[1]微型超级电容器的电化学阻抗谱分析[J]. 吕晓静,朱平. 微纳电子技术. 2017(01)
[2]竹炭/聚苯胺复合材料作为超级电容器电极材料的研究[J]. 方偎,陈晓红,宋怀河,邵景春. 炭素技术. 2015(03)
[3]微波辐射制备双电层电容器用竹炭[J]. 杨胜杰,梁峰,路永广,张晓丽. 电池工业. 2011(02)
[4]竹炭生物模板辅助合成纳米Co3O4及其电化学电容性能[J]. 张君涛,龚良玉,钱备. 青岛农业大学学报(自然科学版). 2009(04)
[5]竹质中孔活性炭在双电层电容器中的应用研究[J]. 王玉新,时志强,周亚平. 炭素技术. 2008(03)
[6]竹木质素的红外光谱与X射线光电子能谱分析[J]. 郭京波,陶宗娅,罗学刚. 化学学报. 2005(16)
博士论文
[1]杂原子掺杂碳材料及其复合材料在超级电容器中的应用研究[D]. 钱文静.苏州大学 2018
硕士论文
[1]杂原子自掺杂污泥碳的可控制备及其电容和氧还原性能研究[D]. 冯伟明.华南理工大学 2018
[2]木竹材衍生碳基超级电容器电极材料的制备及其性能研究[D]. 刘铎.浙江农林大学 2016
[3]竹炭/聚苯胺复合电极材料的制备与表征[D]. 李岚丰.青岛科技大学 2012
[4]二氧化锰/竹基活性炭超级电容器电极材料研究[D]. 宁娈.北京化工大学 2009
本文编号：3128317
【文章来源】：北京林业大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
超级电容器装置及其各个组件的示意图（Zequineetal.，2016）
杂原子掺杂生物质基超级电容器电极材料的制备与电性能研究2基于以上的储能机理，生物质基超级电容器材料大致分为两类。一类为纯炭基电极材料，一般通过炭化（形成介孔）和活化（形成微孔）工艺使竹炭材料具有极高的比表面积，可实现双电层电容特性。另一类以炭材料作为（生长或复合）基底材料，一般采用预处理工艺将赝电容材料与多孔炭材料进行复合，实现在充放电过程中性能的扩增。开发高比表面积、合理孔径比例的炭材料对实现商业化生产具有高比容量的超级电容器具有重要意义，因而近年来成为研究热点，备受各国研究学者的关注。1.2炭材料制备过程简介图1.2生物质在高温下炭化和活化过程示意图（Shietal.，2017）。Fig.1.2Schematicdiagramofcarbonizationandactivationofbiomassathightemperatures.炭材料的制备过程主要分为炭化和活化过程两步（如图1.2所示）（Shietal.，2017）。炭化过程通常采用直接高温炭化或者水热炭化方法，使炭前驱体中所含的生物质高分子在高温或高压下形成有序的碳结构，分子链上的-OH和-H经过一系列的物理化学反应，形成的五元碳环或六元碳环构成了有序的碳网络（Tianetal.，2015）。之后的活化过程是对炭材料进行造孔和修饰的过程，主要的活化试剂有氢氧化钾（KOH）（Gunaseketal.，2018）、磷酸（H3PO4）（Ahresthaetal.，2016）和水蒸气等。制备的炭材料通常具备高比表面积、丰富的微孔和适量的介孔，可实现基于电极/电解液界面储存能量的双电层电容特性，这也是其优异电化学性能的关键。不同活化方
杂原子掺杂生物质基超级电容器电极材料的制备与电性能研究4图1.3石墨功能化炭气凝胶合成路线示意图及其电子扫描显微镜图（杨胜杰等，2011）。Fig.1.3SchematicofgraphenefunctionalizedcarbonxerogelandSEMmicrostructural.与上述传统的工艺流程和活化方式不同，杨胜杰等（2011）将竹粉与碱（KOH）混合后直接通过微波炭化获得电极材料，由于微波炭化工艺具有加热均匀、能耗低、速度快、效率高等优点，采用该工艺可增加生物质内部的活性位点，有利于形成更为发达的孔隙结构。研究表明，增加微波功率可有效降低竹基多孔炭材料的内阻，在最佳微波功率（720W）条件下所制备电极材料的比电容量可高达244.2F/g。王玉新等（2008）采用80%磷酸作为活化剂，通过控制浸渍时间调节竹材纤维素的水解比例和其他组分的抽出程度，从而调控所制备炭材料中微孔和介孔的比例，在最优化条件下（磷酸浸渍3天、500℃活化3h）制备的竹炭材料，比表面积高达2127m2/g、总孔容为1.347cm3/g，介孔占比为40.14%，区别于KOH活化的椰壳（20%）和竹（35%）炭材料。用其作为电极材料制的电容器，当电流密度从0.05A/g增加到1A/g时，比电容量由171F/g减少到149F/g，电容保持率高达87%。竹炭材料电极材料常采用炭化活化工艺制备（Yangetal.，2014；Chenetal.，2017；Zhangetal.,2018），流程简单易用、生产成本低、干扰因素少，并且具有一定的循环稳定性。同时，可以通过控制活化工段的温度（700-1000℃）与炭碱比（1:1-1:4）就可以对竹炭材料内部的孔隙结构及分布进行有效调控，从而使竹炭基材料具有最优异的电性能。但是，单一的竹炭材料仅依靠内部的孔隙（大孔、介孔及微孔）对电解液中离子的吸附和解吸作用实现能量储存与释放，该储能机理导致纯竹炭材料很难突破本身比电
【参考文献】：
期刊论文
[1]微型超级电容器的电化学阻抗谱分析[J]. 吕晓静,朱平. 微纳电子技术. 2017(01)
[2]竹炭/聚苯胺复合材料作为超级电容器电极材料的研究[J]. 方偎,陈晓红,宋怀河,邵景春. 炭素技术. 2015(03)
[3]微波辐射制备双电层电容器用竹炭[J]. 杨胜杰,梁峰,路永广,张晓丽. 电池工业. 2011(02)
[4]竹炭生物模板辅助合成纳米Co3O4及其电化学电容性能[J]. 张君涛,龚良玉,钱备. 青岛农业大学学报(自然科学版). 2009(04)
[5]竹质中孔活性炭在双电层电容器中的应用研究[J]. 王玉新,时志强,周亚平. 炭素技术. 2008(03)
[6]竹木质素的红外光谱与X射线光电子能谱分析[J]. 郭京波,陶宗娅,罗学刚. 化学学报. 2005(16)
博士论文
[1]杂原子掺杂碳材料及其复合材料在超级电容器中的应用研究[D]. 钱文静.苏州大学 2018
硕士论文
[1]杂原子自掺杂污泥碳的可控制备及其电容和氧还原性能研究[D]. 冯伟明.华南理工大学 2018
[2]木竹材衍生碳基超级电容器电极材料的制备及其性能研究[D]. 刘铎.浙江农林大学 2016
[3]竹炭/聚苯胺复合电极材料的制备与表征[D]. 李岚丰.青岛科技大学 2012
[4]二氧化锰/竹基活性炭超级电容器电极材料研究[D]. 宁娈.北京化工大学 2009
本文编号：3128317
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