基于钾化合物辅助法的生物质多孔炭的制备及电化学储能应用研究

发布时间：2021-11-18 07:12

　　超级电容器由于具有功率密度高和循环寿命长的特点,受到了人们的广泛关注和研究,但是它较低的能量密度仍难以满足规模化储能的需求。作为新兴的电化学储能器件,锂/钠离子电容器不仅具有高功率密度和长循环寿命,而且具有比传统超级电容器更高的能量密度。为了构建高性能的超级电容器和锂/钠离子电容器,电极材料的设计开发至关重要。多孔炭由于导电性高、比表面积大、化学性质稳定、结构组成易于调控等优点,被认为是极具潜力的超级电容器和锂/钠离子电容器电极材料。而资源丰富、绿色友好的生物质材料具有天然的微观结构和独特的化学组成,是制备多孔炭的理想前驱体之一。通过对生物质多孔炭的结构设计和组成调控以实现低成本、高性能的多孔炭电极材料的制备,对于开发高性能超级电容器和锂/钠离子电容器具有重要意义。鱼鳞和鱼皮作为鱼肉加工的副产物往往被当作废物丢弃,但是二者富含的胶原蛋白具有大量的碳原子和丰富的氮（N）、氧（O）、硫（S）等原子,可以作为杂原子掺杂炭材料的前躯体。胶原蛋白经过水解后可形成具有良好水溶性的产物,可以与水溶性活化剂和模板剂在分子级别均匀混合,进而实现鱼鳞基和鱼皮基多孔炭结构组成的高效调控。除了胶原蛋白外,鱼鳞... 

【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】：132 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图１－２?（ａ）在水系电解液中，带正电荷的充电电极的（Ｉ）亥姆赫兹、（ＩＩ）古依－查普曼和（ＩＩＩ）??斯特恩模型［１９］；?（ｂ）使用多孔电极的对称双电层电容器的充电状态的示意图以及对应的等效电??

?Ｍ?Ｂｏｒｊｃ?ａｃｉｄ?Ｃａｒｔ＞ｏｎ?Ｂｏｒｏｎ?ｏｘｉｄｅ??Ｙ?〒?ｓｓｓｒｉ??／？■??ｅ?ｗ?ｉｉ??Ｉ?Ｂ，Ｏｓ?？?３Ｈ２０?一?２Ｈ３Ｂ〇３??Ｂｏｒｉｃ?ａｃｉｄ?Ｉ??｜?ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ?ｃｒｙｓｔａＨｇａｔｉｏｎ?＋??Ｂｏｒｉｃ?ａｃｉｄ?Ｃａｒｔ＞ｏｎ?Ｆｒｅｅ－ｓｔａｎｄｉｎｇ??ｓｏｔｕｔｔｏｎ?ｎａｎｏｓｈｅｅｔｓ?ｔＷｎ?ｆｉｌｍ???，也?ＳｗｓＭ＾ｍａｃｅ咖ｇ?Ｐｙｒａ＾ＭＫｉ?叫＿??ｄ國■■■??图１－３?（ａ）氮、硫共掺杂的分级多孔炭（Ｎ，Ｓ－ＭＣ）?［４３］；?（ｂ）硼、氮共掺杂的炭纳米片（Ｂ／Ｎ－??ＣＳｓ）?［４４１；?（ｃ）氮、磷、硫共掺杂的碳纳米纤维［４５］。??Ｆｉｇ．?１－３?（ａ）Ｎ，?Ｓ－ｄｏｐｅｄ?ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｌｙ?ｐｏｒｏｕｓ?ｃａｒｂｏｎ?（Ｎ，Ｓ－ＭＣ）［４３１．?（ｂ）?Ｂ／Ｎ?ｃｏ－ｄｏｐｅｄ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｓｈｅｅｔｓ??（Ｂ／Ｎ－ＣＳｓ）［４４］．?（ｃ）?Ｔｈｅ?ｆｒｅｅ－ｓｔａｎｄｉｎｇ?ｈｅｔｅｒｏａｔｏｍ－ｄｏｐｅｄ?ｃａｒｂｏｎ?ｎａｎｏｆｉｂｅｒｓ［４５］．??除了对多孔炭微／纳米结构进行设计外，表面化学改性也是改善多孔炭电极材料电??化学性能的有效方法，如向多孔炭表面引入氮（Ｎ）、氧（０）、硫（Ｓ）、磷（Ｐ）、硼（Ｂ）??等异质原子［４，２１］。在众多异质原子中，Ｎ原子（０．７５人）与碳（Ｃ）原子（０．７７?Ａ）的??原子半径相近，晶格中的Ｃ原子被Ｎ原子替代后，不会导致晶格严重变形，而且Ｎ??原子的电负性比Ｃ原子的强，更易吸引电子，增强多孔炭的导电性［４６］。１＾原子以四种

容量，如过渡金属氧化物（Ｒｕ０２［５７］、Ｍｎ０２［５８】等）和导电聚合物（聚苯胺［５９］、聚吡咯??［６（）］等）；．炭材料表面掺杂的异质原子如Ｎ原子中的Ｎ－６和Ｎ－５［２１，４７］、０原子中的Ｃ＝０【２１，??４８’４９］、Ｓ原子中的Ｃ－Ｓ－Ｓ－Ｃ和Ｃ＝Ｓ［４３，５Ｇ，５１］也可与电解液离子发生法拉第电荷转移反应提??供赝电容。插层赝电容是指离子插层到主体电极材料的通道或层间而发生的法拉第电??荷转移过程，没有结晶相的变化，如Ｎｂ２０５［６＼?Ｖ２０５【６２］（图１－４）。??赝电容超级电容器的组成与双电层电容器的基本相似，只是两种电极材料不同。??基于法拉第反应的储能机理，赝电容器的比容量和能量密度高于双电层电容器，但它??的法拉第反应过程动力学缓慢，电极材料在循环过程中结构易膨胀变形，因而功率密??度和循环寿命都较差。将电极材料与金属氧化物或炭材料复合可有效改善赝电容超级??电容器的综合性能，如导电聚合物与Ｍｎ０２、Ｖ２０５、氧化石墨烯等形成复合材料［６３－６５］。??


本文编号：3502449