棉花基多孔活性炭和次磷酸插层镍铁水滑石的制备及其电化学性能研究
发布时间：2021-10-17 16:01
为了提高超级电容器的性能,减少化石燃料带来的环境污染,人们相继开发了各类新型超级电容材料用于电动汽车等领域。碳材料作为一种典型的双电层电容器材料,其中生物质衍生活性炭以其原料来源广泛,生产成本低,比表面积大,和比电容高等优点在众多碳材料中脱颖而出。由于赝电容材料在充放电过程中具有氧化还原反应,因而可以提供比双电层电容更高的能量密度,其中双金属氢氧化物（LDHs）以其独特的结构和赝电容特性受到了越来越多的关注。本文在传统方法的基础上进行改进,制备了两种电极材料。首先以棉花为原材料,经粘胶掺杂法得到再生纤维素纤维,再经碳化、KOH活化得到棉花基多孔活性炭;随后使用络合沉淀法制备得到次磷酸阴离子插层的NiFe LDHs;最后将次磷酸插层水滑石和棉花基活性炭分别作为正极和负极组装成不对称电容器,进行了 一系列的物理化学表征和电化学测试。主要研究内容如下:（1）以棉花为原材料经粘胶掺杂法得到再生纤维素纤维,再进行碳化和KOH活化处理得到蜂窝状多孔活性炭。在研究过程中,通过对活化过程中的碱炭比、温度、时间等条件的优化,得出最佳的活化条件为:KOH:C=3:1、活化温度为700℃、活化时间为2h。在...
【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】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２?（ａ）双电层电容器；（ｂ）赝电容电容器；（ｃ）混合型电容器工作原理示意图［２５］：??Ｆｉｇ?１－２?Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｔｙｐｅｓ?ｏｆ?ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ：?（ａ）?ｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｄｏｕｂｌｅ?ｌａｙｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｏｒ；（ｂ）?ｐｓｅｕｄｏｃａｐａｃｉｔｏｒ；（ｃ）??ｈｙｂｒｉｄ?ｃａｐａｃｉｔｏｒ?ｓｃｈｅ?
ｍ３?ｇ－１大孔体积和出色的热稳定性。由于物理活化主要依靠氧化碳原子形成孔??隙，不需要使用化学药品，对环境污染较小，同时也存在活性炭的收率不高，时间长，??作用弱，比表面低等问题。??（２）化学活化法??化学活化法是将生物质前驱体与活化剂混合，然后在３００－９５０?°Ｃ的温度下进行??碳化和活化，常用的活化剂有ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＫＨＣＯ３、Ｈ３Ｐ〇４、ＺｎＣｌ２、Ｈ２Ｓ〇４。在活??化过程中，ＫＯＨ、ＮａＯＨ高温下为熔融状态，能够渗透进碳材料孔隙中，经化学刻蚀??得到较多的微孔，图１－７为物理和化学活化过程示意图，可以看出物理活化大部分发??生在材料的表面，化学活化法则在表面和内部同时进行。Ｙａｎｇ等［６（）］以ＮａＯＨ为活化??剂活化废弃山竹皮成功的制备出多孔活性炭，在电流密度１?Ａ?ｇ－１时比电容为３５７?Ｆ?ｇ＿??、含钾活化剂ＫＯＨ、ＫＨＣ０３在温度超过７５０°Ｃ产生的钾蒸汽插层进入炭骨架中能使??晶格膨胀，有利于新孔的形成。Ｙｕ等［６１］以甘蔗渣为原料，经水热炭化、ＫＯＨ活化制??备得到的活性炭比表面积高达３１５１?ｍ２?ｇ－１３ｎＣｌ２能够在低温下促进生物质气化脱氢，??高温下气化充当炭材料内部的柱撑模板，Ｈ３Ｐ０４对多糖有强烈脱水作用，能够降低植??物基前驱体的炭化温度，Ｈ３Ｐ０４、ＺｎＣｌ２作活化剂制备的活性炭多中孔。＼＼＾１１等［６２］将油??菜花直接加入ＺｎＣｌ２和ＦｅＣｂ混合溶液，冷冻干燥，高温活化得到Ｎ，Ｓ共掺杂的分层??多孔活性炭，１?Ａ?ｇ－１的电流密度下显示出３６１．６?Ｆ?ｇ－１的高比电容。一般化学活化法比??物理活化反应温度低和活化时间短，制备得到的碳材料孔径分布宽和比表面积也较高，??
?北京化工大学硕士学位论文???温线，然后利用样品表面在超低温和一定气压强度时对气体的可逆物理吸附存在一个??平衡吸附量，利用这个吸附值计算材料的比表面积和ＤＦＴ（密度泛函理论）计算材料的??孔径分布。如图２－１为六种不同类型的吸脱附等温线，通过观察吸脱附等温线可以对??材料的孔径进一步分析。本实验使用的是麦克仪器有限公司的ＡＳＡＰ－２４６０－４Ｎ仪器，??测试前需进行脱气处理，脱气时间为７?ｈ，脱气温度为２００?°Ｃ，然后在－１９６?°Ｃ下进行??测试。??Ｉ?ＩＩ?ｈｉ??Ｙ＾?ｙ?Ｊ??§?ＩＶ?Ｖ??，?ＶＩ??Ｒｅｖｉｖｅ?ｐｒｅｓｓｕｒｅ?ｐ／ｐ＊??图２－１常见的六种吸附等温线??Ｆｉｇ２－１?Ｓｉｘ?ｃｏｍｍｏｎ?ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ?ｉｓｏｔｈｅｒｍｓ??２．３．７热重／差热分析（ＴＧ／ＤＴＧ）??ＴＧ分析是在氮气中测定物质的质量随温度的变化的一种热分析方法，根据ＴＧ曲??线中失重的温度和比例可以推测所发生的物理化学反应。ＤＴＧ曲线表示质量随时间??的变化率与温度的关系，ＤＴＧ曲线的峰面积正比于失重量，另外ＤＴＧ曲线和ＴＧ曲??线存在一定的对应关系，ＤＴＧ曲线的峰顶对应于ＴＧ曲线的拐点，此处失重最快，??ＤＴＧ曲线上的峰数与ＴＧ曲线上的台阶数一致，代表失重的次数。本实验使用的仪器??是耐驰公司的ＳＴＡ４４９Ｆ５，测试温度范围为２０?°Ｃ？８００?°Ｃ，升温速率为１０?°Ｃ?ｍｉｎ－１。??２．３．８傅立叶变换红外光谱（ＦＴ－ＩＲ）??当红外光的振动频率与化学键或官能团振动频率相当且偶极矩不为零时可产生??红外光谱。根据波长可将红外光谱分为近红外区、中红外区、远红外区，中红外区
【参考文献】：
期刊论文
[1]植物基多孔炭材料在超级电容器中的应用[J]. 郭楠楠,张苏,王鲁香,贾殿赠. 物理化学学报. 2020(02)
[2]生物质衍生碳材料的结构多样性及其在能量存储方面的应用（英文）[J]. 江丽丽,盛利志,范壮军. Science China Materials. 2018(02)
[3]棉花基多孔碳材料的合成、微结构及超电性能研究（英文）[J]. 郝燕霞,钱猛,徐吉健,毕辉,黄富强. 无机材料学报. 2018(01)
[4]Carbonaceous aerogel and CoNiAl-LDH@CA nanocomposites derived from biomass for high performance pseudo-supercapacitor[J]. Sidi Zhang,Jian Liu,Peipei Huang,Hao Wang,Changyan Cao,Weiguo Song. Science Bulletin. 2017(12)
[5]高容量超级电容器电极材料的设计与制备[J]. 吴中,张新波. 物理化学学报. 2017(02)
[6]硅钼蓝分光光度法测定进口玉米中的二氧化硅[J]. 王华,熊升伟,盛强. 粮食储藏. 2012(05)
[7]铁矿石中二氧化硅含量的快速测定[J]. 陈平,吕宪俊,孙丽君. 金属矿山. 2009(02)
[8]阴离子型层柱材料研究进展[J]. 杜以波,D.G.Evans,孙鹏,段雪. 化学通报. 2000(05)
硕士论文
[1]杂原子掺杂多孔炭材料的制备与电容性能研究[D]. 胡龙丰.北京化工大学 2018
本文编号：3442031
【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】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２?（ａ）双电层电容器；（ｂ）赝电容电容器；（ｃ）混合型电容器工作原理示意图［２５］：??Ｆｉｇ?１－２?Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｔｙｐｅｓ?ｏｆ?ｓｕｐｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒｓ：?（ａ）?ｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｄｏｕｂｌｅ?ｌａｙｅｒ?ｃａｐａｃｉｔｏｒ；（ｂ）?ｐｓｅｕｄｏｃａｐａｃｉｔｏｒ；（ｃ）??ｈｙｂｒｉｄ?ｃａｐａｃｉｔｏｒ?ｓｃｈｅ?
ｍ３?ｇ－１大孔体积和出色的热稳定性。由于物理活化主要依靠氧化碳原子形成孔??隙，不需要使用化学药品，对环境污染较小，同时也存在活性炭的收率不高，时间长，??作用弱，比表面低等问题。??（２）化学活化法??化学活化法是将生物质前驱体与活化剂混合，然后在３００－９５０?°Ｃ的温度下进行??碳化和活化，常用的活化剂有ＫＯＨ、ＮａＯＨ、ＫＨＣＯ３、Ｈ３Ｐ〇４、ＺｎＣｌ２、Ｈ２Ｓ〇４。在活??化过程中，ＫＯＨ、ＮａＯＨ高温下为熔融状态，能够渗透进碳材料孔隙中，经化学刻蚀??得到较多的微孔，图１－７为物理和化学活化过程示意图，可以看出物理活化大部分发??生在材料的表面，化学活化法则在表面和内部同时进行。Ｙａｎｇ等［６（）］以ＮａＯＨ为活化??剂活化废弃山竹皮成功的制备出多孔活性炭，在电流密度１?Ａ?ｇ－１时比电容为３５７?Ｆ?ｇ＿??、含钾活化剂ＫＯＨ、ＫＨＣ０３在温度超过７５０°Ｃ产生的钾蒸汽插层进入炭骨架中能使??晶格膨胀，有利于新孔的形成。Ｙｕ等［６１］以甘蔗渣为原料，经水热炭化、ＫＯＨ活化制??备得到的活性炭比表面积高达３１５１?ｍ２?ｇ－１３ｎＣｌ２能够在低温下促进生物质气化脱氢，??高温下气化充当炭材料内部的柱撑模板，Ｈ３Ｐ０４对多糖有强烈脱水作用，能够降低植??物基前驱体的炭化温度，Ｈ３Ｐ０４、ＺｎＣｌ２作活化剂制备的活性炭多中孔。＼＼＾１１等［６２］将油??菜花直接加入ＺｎＣｌ２和ＦｅＣｂ混合溶液，冷冻干燥，高温活化得到Ｎ，Ｓ共掺杂的分层??多孔活性炭，１?Ａ?ｇ－１的电流密度下显示出３６１．６?Ｆ?ｇ－１的高比电容。一般化学活化法比??物理活化反应温度低和活化时间短，制备得到的碳材料孔径分布宽和比表面积也较高，??
?北京化工大学硕士学位论文???温线，然后利用样品表面在超低温和一定气压强度时对气体的可逆物理吸附存在一个??平衡吸附量，利用这个吸附值计算材料的比表面积和ＤＦＴ（密度泛函理论）计算材料的??孔径分布。如图２－１为六种不同类型的吸脱附等温线，通过观察吸脱附等温线可以对??材料的孔径进一步分析。本实验使用的是麦克仪器有限公司的ＡＳＡＰ－２４６０－４Ｎ仪器，??测试前需进行脱气处理，脱气时间为７?ｈ，脱气温度为２００?°Ｃ，然后在－１９６?°Ｃ下进行??测试。??Ｉ?ＩＩ?ｈｉ??Ｙ＾?ｙ?Ｊ??§?ＩＶ?Ｖ??，?ＶＩ??Ｒｅｖｉｖｅ?ｐｒｅｓｓｕｒｅ?ｐ／ｐ＊??图２－１常见的六种吸附等温线??Ｆｉｇ２－１?Ｓｉｘ?ｃｏｍｍｏｎ?ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ?ｉｓｏｔｈｅｒｍｓ??２．３．７热重／差热分析（ＴＧ／ＤＴＧ）??ＴＧ分析是在氮气中测定物质的质量随温度的变化的一种热分析方法，根据ＴＧ曲??线中失重的温度和比例可以推测所发生的物理化学反应。ＤＴＧ曲线表示质量随时间??的变化率与温度的关系，ＤＴＧ曲线的峰面积正比于失重量，另外ＤＴＧ曲线和ＴＧ曲??线存在一定的对应关系，ＤＴＧ曲线的峰顶对应于ＴＧ曲线的拐点，此处失重最快，??ＤＴＧ曲线上的峰数与ＴＧ曲线上的台阶数一致，代表失重的次数。本实验使用的仪器??是耐驰公司的ＳＴＡ４４９Ｆ５，测试温度范围为２０?°Ｃ？８００?°Ｃ，升温速率为１０?°Ｃ?ｍｉｎ－１。??２．３．８傅立叶变换红外光谱（ＦＴ－ＩＲ）??当红外光的振动频率与化学键或官能团振动频率相当且偶极矩不为零时可产生??红外光谱。根据波长可将红外光谱分为近红外区、中红外区、远红外区，中红外区
【参考文献】：
期刊论文
[1]植物基多孔炭材料在超级电容器中的应用[J]. 郭楠楠,张苏,王鲁香,贾殿赠. 物理化学学报. 2020(02)
[2]生物质衍生碳材料的结构多样性及其在能量存储方面的应用（英文）[J]. 江丽丽,盛利志,范壮军. Science China Materials. 2018(02)
[3]棉花基多孔碳材料的合成、微结构及超电性能研究（英文）[J]. 郝燕霞,钱猛,徐吉健,毕辉,黄富强. 无机材料学报. 2018(01)
[4]Carbonaceous aerogel and CoNiAl-LDH@CA nanocomposites derived from biomass for high performance pseudo-supercapacitor[J]. Sidi Zhang,Jian Liu,Peipei Huang,Hao Wang,Changyan Cao,Weiguo Song. Science Bulletin. 2017(12)
[5]高容量超级电容器电极材料的设计与制备[J]. 吴中,张新波. 物理化学学报. 2017(02)
[6]硅钼蓝分光光度法测定进口玉米中的二氧化硅[J]. 王华,熊升伟,盛强. 粮食储藏. 2012(05)
[7]铁矿石中二氧化硅含量的快速测定[J]. 陈平,吕宪俊,孙丽君. 金属矿山. 2009(02)
[8]阴离子型层柱材料研究进展[J]. 杜以波,D.G.Evans,孙鹏,段雪. 化学通报. 2000(05)
硕士论文
[1]杂原子掺杂多孔炭材料的制备与电容性能研究[D]. 胡龙丰.北京化工大学 2018
本文编号：3442031
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3442031.html
