生物质基制备超级活性碳及其电化学性能研究
发布时间：2021-09-17 01:44
超级电容器由于其高的功率密度和快速充放电等优势,可以作为新的能源储存装置,但是,超级电容器的功率和能量密度应进一步提高,这其中的关键因素就取决于电极材料的改进。本论文针对现如今电极材料价格昂贵、产率较低、孔径不可控的缺点,提出了一种开发超级电容器电极的新思路。选用在自然界中广泛存在、可以再生的生物质材料作为制备活性碳材料的原料,棉花是自然界中杂质较少的生物质,它的主要成分为纤维素,其他杂质的干扰较少。本论文选用高温碳化、KNO3氧化、KOH活化的方法对生物质进行处理,制备生物质基活性碳材料,采用单因素测试的方法,结合各种测试手段如扫描电镜、X射线衍射、氮气吸脱附测试等以及恒流充放电、循环伏安等电化学测试,对制备的碳材料的结构、形貌、性能进行表征,得出碳化、氧化、活化过程的最佳条件。通过碳化、氧化、活化联合制备的多孔生物质活性碳材料,性能最优,它在电流密度为1 Ag-1时比电容可达283 F g-1,当电流密度增大为100 A g-1时,比电容可达229 F g-1,仅有19.09%的衰减。此外,它具有优异的循环性能,在电流密度为20、50、100Ag-1时,进行了 100,000次循环...
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：122 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２超级电容器结构简化图??Ｆｉｇ．?１－２?Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??１．３电极材料－碳材料??
?第一章绪论???％??＃＞?？??图１－３碳材料：石墨烯、碳纳米管、活性碳??Ｆｉｇ．?１－３?Ｃａｒｂｏｎ?Ｍａｔｅｒｉａｌ：?ｇｒａｐｈｅｎｅ，?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，?ａｃｔｉｖａｔｅｄ?ｃａｒｂｏｎ．??活性碳（ＡＣ）作为最广泛使用的碳材料电极，因为它们具有很多的优点，大??的表面积，相对良好的电性能和适中的成本。ＡＣ通常由各种类型的富碳前驱体??（例如椰子壳，木材，沥青，焦碳等）通过物理（高温）或者化学活化产生［４２，４３］。??物理活化通常是对碳前驱体部分可控气化过程，指在氧化气体（如水蒸汽，Ｃ〇２??和空气）的存在下，在髙温（７００－１２００°Ｃ）下处理碳前体。化学活化因为有活化??剂的存在所以所需的温度较低，通常在（４００－７００°Ｃ）下用活化剂如Ｈ３Ｐ〇４、ＫＯＨ、??咖０３和２１１（：１２处理［４＿。根据不同的活化方法以及所用的碳前体的差异，已经??生产出具有各种物理、化学性质的活性碳材料，这些材料的比表面积较高，可达??到２０００ｍ２ｇ＿１，它们的电化学性质较好。众所周知，活化过程产生的ＡＣ多孔结??构具有宽孔径分布，包括微孔、中孔、大孔这些不同孔径大小的孔结构都能出现??到ＡＣ中＊］。虽然比表面积为超级电容器的性能的重要参数，但是其性能也会由??其他性质影响，诸如材料的导电性，孔径的分布等特点也在很大的程度下影响其??电化学性能。在活化过程中，不能一味的追求大的比表面积而进行过度活化，要??适可而止才能生产出比表面积合适，导电性能优越的电极材料。此外，高表面积??可能增加悬空键位置会造成电解质分解的风险。ＡＣ己经在商业上用作超级电容??器电极材料。然而，由于其孔径分布和孔
?北京化工大学硕士学位论文???图１－５各种活性碳材料图片??Ｆｉｇ．?１－５?Ｐｈｏｔｏｓ?ｏｆ?ａｃｔｉｖａｔｅｄ?ｃａｒｂｏｎ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ??１．４．２．１热解转化??在中等温度（１００－５００°Ｃ）控制气氛为与碳为惰性的气氛下进行常规热解是??一种成熟的将生物质转化为含碳材料的方法［６７，６＼所得含碳材料主要由不规则非??晶碳组成，结晶度低，多孔性和比表面积较小由于生物质中含有复杂的三维??基质，除了碳原子外还含有丰富的杂原子，因此在热解过程中，生物质内部的强??相互联系很难被切断和有序排列，所以该种方法的研宄和应用较少。例如，刘报??告说，紫苏叶片在６００°Ｃ到８００°Ｃ下热分解后，可以分别从中收集３０到４０纳??米和１２０纳米的扁平和褶皱的碳纳米片以及碳纳米棒［７（）］。??１．４．２．２热化学活化??利用化学活化剂，活化剂的种类、性质丰富多样，如ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＺｎＣｂ??或Ｈ３Ｐ０４Ｍ这些较为常见的活化剂，通过这些活化剂进行热分解过程是利用具有??高比表面积和多孔性的生物质制备活性碳的成熟方法此外，化学活化剂在??碳基质的演化和多孔结构的形成中起着至关重要的作用。??Ｎｉｕ等人考虑到除了引入化学活化剂（Ｋ０Ｈ）外，７００°?Ｃ下的预碳化处理??对于从甘蔗渣皮中制备具有大的多尺度褶皱纳米片结构和高表面积的碳纳米片??也是有必要的。同时，云杉皮在１８０°?Ｃ下的水热碳化，可以在水热碳化的不锈??钢高压釜中，观察到具有超高比表面积（２３８５１＾＃）、大体积分级孔和易于接近??的石墨烯纳米片的开放表面的三维互连结构［？】。Ｊｏｎｇ－Ｓｕｎｇ?Ｙｕ【１６】等人研究用牛粪??作为前驱体，通过预
本文编号：3397708
【文章来源】：北京化工大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：122 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２超级电容器结构简化图??Ｆｉｇ．?１－２?Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ??１．３电极材料－碳材料??
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?北京化工大学硕士学位论文???图１－５各种活性碳材料图片??Ｆｉｇ．?１－５?Ｐｈｏｔｏｓ?ｏｆ?ａｃｔｉｖａｔｅｄ?ｃａｒｂｏｎ?ｍａｔｅｒｉａｌｓ??１．４．２．１热解转化??在中等温度（１００－５００°Ｃ）控制气氛为与碳为惰性的气氛下进行常规热解是??一种成熟的将生物质转化为含碳材料的方法［６７，６＼所得含碳材料主要由不规则非??晶碳组成，结晶度低，多孔性和比表面积较小由于生物质中含有复杂的三维??基质，除了碳原子外还含有丰富的杂原子，因此在热解过程中，生物质内部的强??相互联系很难被切断和有序排列，所以该种方法的研宄和应用较少。例如，刘报??告说，紫苏叶片在６００°Ｃ到８００°Ｃ下热分解后，可以分别从中收集３０到４０纳??米和１２０纳米的扁平和褶皱的碳纳米片以及碳纳米棒［７（）］。??１．４．２．２热化学活化??利用化学活化剂，活化剂的种类、性质丰富多样，如ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＺｎＣｂ??或Ｈ３Ｐ０４Ｍ这些较为常见的活化剂，通过这些活化剂进行热分解过程是利用具有??高比表面积和多孔性的生物质制备活性碳的成熟方法此外，化学活化剂在??碳基质的演化和多孔结构的形成中起着至关重要的作用。??Ｎｉｕ等人考虑到除了引入化学活化剂（Ｋ０Ｈ）外，７００°?Ｃ下的预碳化处理??对于从甘蔗渣皮中制备具有大的多尺度褶皱纳米片结构和高表面积的碳纳米片??也是有必要的。同时，云杉皮在１８０°?Ｃ下的水热碳化，可以在水热碳化的不锈??钢高压釜中，观察到具有超高比表面积（２３８５１＾＃）、大体积分级孔和易于接近??的石墨烯纳米片的开放表面的三维互连结构［？】。Ｊｏｎｇ－Ｓｕｎｇ?Ｙｕ【１６】等人研究用牛粪??作为前驱体，通过预
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