利用高分子废弃材料大规模制备多孔碳及其电化学性能研究

发布时间：2017-08-15 22:06

  本文关键词：利用高分子废弃材料大规模制备多孔碳及其电化学性能研究

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【摘要】：超级电容器作为一种绿色的能源存储器件,是一种介于充电电池和传统电容器之间具有快速充放电的新型功率型能源存储设备。在超级电容器各种组件中,电极材料被认为对其性能产生决定性影响。其中,炭材料由于具有多方面的优点(结构可控、比表面积高、密度低、机械稳定性、导热性高以及易于规模化生产等),因此,超级电容器用碳基电极材料引起了人们的广泛关注。本文首先利用模板碳化法制备出高比表面积、合理孔径分布的多孔碳材料,然后对所制备的碳材料进行深入处理,以提高其电化学性能。论文的主要研究内容如下：1、通过利用模板碳化法将含卤废弃塑料转变成纳米多孔炭。这种普适性的方法使用锌粉作为硬模板。通过实验发现,含卤废弃塑料和锌粉的比例以及炭化温度对于所制备碳材料的结构和电化学性能产生决定性的影响。其中,聚四氟乙烯与锌粉的混合物(质量比为1：3)在700℃条件下所得到碳材料(PTFE-1:3-700样品)具有高的比表面积和大的孔容,分别为800.5 m2g-1,1.59 cm3g-1。同时,该样品在电流密度0.5 A g-1下,比电容可以达到313.7 F g-1,表现出优越的电化学性能。此外,PTFE-1:3-700样品展现出良好的循环稳定性。即使是充电-放电5000次后,其比电容仍然可以保持原来的93.10%。更加重要的是,制备纳米多孔炭所用的碳源可以推广到聚偏氟乙烯和聚氯乙烯,揭示了合成方法的普适性。2、在此阐述一种有效的模板碳化法将废弃聚氯乙烯(PVC)转变成纳米多孔炭。其中,使用廉价的Mg(OH)2作为硬模板。在指定PVC与Mg(OH)2的比例(质量比为1：2),碳化温度为700℃下所制备的碳-空白样品具有高度发达的孔隙结构,在本质上是非晶的。它同样展现出高的比表面积(958.6 m2g-1)、大的孔容(3.56 cm3g-1)以及分级结构明显的孔径分布。为了进一步提高其电化学性能,利用碳-空白样品与不同浓度的KMnO4溶液发生氧化还原反应,将不同含量的MnOx粒子嵌入到碳材料的基体中,得到碳-Mnl/Mn2/Mn3样品。其中,碳-Mn2样品(碳材料与KMnO4的质量比为1：1)表现出最优秀的电化学性能。尽管其孔结构有一定程度的塌陷,它的比电容在电流密度1.0Ag-1下达到了751.5 F g-1,而原来的碳-空白样品只有47.8 Fg-1左右。碳-Mn2样品所增加的比电容主要归功于MnOx材料发生法拉第反应而产生的赝电容。当前所采用的合成方法为有效处理废旧PVC提供了一条宽广的道路,特别是在超级电容器中有着非常广泛的应用前景。3、在该实验中,使用同步碳化和石墨化的方法来合成具有分级结构的纳米多孔石墨碳。其中,废弃的聚偏氟乙烯(PVDF)作为碳前躯体,Ni(NO3)2·6H2O作为石墨化催化剂。实验结果表明,碳化温度对于纳米多孔石墨碳孔的结构及其电化学性能产生决定性的影响。将炭化温度从800℃提高到1200℃,其孔隙率有一定的减小,而石墨化程度却有所提高。此外,随着温度的提高,碳材料样品的比电容虽然有一定程度的减小,但是它的倍率性能和长周期循环稳定性却有明显的提升。接下来,为了进一步提高超级电容器的电化学性能,首次将镁试剂(Ⅱ)作为氧化还原添加剂加入到2 mol L-1的KOH电解液中。同时,该实验也研究了不同含量的镁试剂(Ⅱ)对于电化学性能的影响。其中,在电解液中加入4mmolL-1的镁试剂(Ⅱ)时,其比电容在电流密度5.0 Ag-1下可以达到430.1 F g-1,而在不添加镁试剂(Ⅱ)时仅有144.5 Fg-1。很明显,镁试剂(Ⅱ)与KOH的混合电解液通过氧化还原反应极大的提高了电极材料的电化学性能,因此可以应用于高性能的超级电容器中。
【关键词】：碳化 高分子材料 赝电容 氧化还原添加剂
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.11;O646
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-18
• 第一章 绪论18-25
• 1.1 超级电容器简介18-20
• 1.1.1 超级电容器原理及分类18-19
• 1.1.2 超级电容器的发展19-20
• 1.2 碳材料电极的分类及特点20-22
• 1.2.1 模板碳20-21
• 1.2.2 碳基复合物21
• 1.2.3 活性炭21-22
• 1.2.4 碳纳米管22
• 1.3 氧化还原电解质22-23
• 1.4 废弃高分子材料的回收利用23-24
• 1.5 本论文的研究内容24-25
• 第二章 实验方法及表征25-30
• 2.1 实验主要药品及仪器25-26
• 2.2 材料表征方法26-28
• 2.2.1 X-射线衍射(XRD)26
• 2.2.2 场发射扫描电子显微镜(FESEM)26-27
• 2.2.3 激光拉曼光谱仪(Raman)27
• 2.2.4 X射线光电子能谱仪(XPS)27
• 2.2.5 比表面积(BET)和孔径分析27
• 2.2.6 高分辨率透射电镜(HRTEM)27-28
• 2.3 电化学性能测试28-30
• 2.3.1 电极材料的制备28
• 2.3.2 循环伏安测试28
• 2.3.3 恒流充放电测试28-29
• 2.3.4 交流阻抗测试29-30
• 第三章 利用含卤塑料大规模制备多孔炭及其电化学性能的研究30-41
• 3.1 引言30
• 3.2 实验过程30-31
• 3.3 实验结果与讨论31-39
• 3.4 结论39-41
• 第四章 将PVC转化成MnOx掺杂的多孔炭及其在超级电容器中的应用41-57
• 4.1 引言41-42
• 4.2 实验过程42-43
• 4.2.1 碳空白样品的合成步骤42
• 4.2.2 多孔炭/MnO_x复合材料的合成步骤42-43
• 4.3 实验结果与讨论43-56
• 4.4 结论56-57
• 第五章 聚偏氟乙烯碳基电容器：通过添加氧化还原电解液镁试剂(Ⅱ),显著提高其电容性能57-73
• 5.1 引言57-58
• 5.2 实验过程58
• 5.3 实验结果与讨论58-71
• 5.4 结论71-73
• 第六章 结论与展望73-74
• 6.1 本论文的创新之处73
• 6.2 本论文的结论73
• 6.3 本论文的展望73-74
• 参考文献74-83
• 附录一 攻读硕士学位期间获得的成果83

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