稻壳基活性炭的热处理改性及其双电层超级电容器的电化学性能

发布时间：2020-09-03 08:50

　　稻壳基活性炭是一种以稻壳为前驱体的生物质活性炭材料,可以用于水系或有机电解液体系超级电容器,具有优良的比电容和功率特性。然而稻壳基活性炭用于超级电容器会出现严重的自放电行为。超级电容器的自放电与电极材料和外部因素有关,如杂质、表面官能团、环境温度、充电持续时间、初始电压等,源自于超级电容器内部发生副反应或氧化还原反应。本文考察了稻壳基活性炭的孔道结构特点及表面含氧官能团的类型和含量,研究了影响超级电容器自放电行为的因素,提出了对稻壳基活性炭的改性方法进而提升超级电容器的电化学性能。具体研究成果如下:(1)考察了稻壳基活性炭的孔道结构特点及表面含氧官能团的情况。稻壳基活性炭是一种具有多级孔道结构的生物质活性炭材料,微孔比例比较高,孔径分布在2 nm以内,比表面积(S_(BET))和孔体积分别为1919 m~2 g~(-1)和1.07 cm~3 g~(-1)。通过XPS测试和Boehm滴定测试可知,稻壳基活性炭材料的表面含有丰富的含氧官能团。研究表明,将稻壳基活性炭作为电极材料用于卷绕式双电层超级电容器中,稻壳基活性炭基超级电容器的自放电现象严重,泄漏电流较大。(2)研究了影响超级电容器自放电行为的因素。稻壳基活性炭应用于卷绕式超级电容器中,当超级电容器充电到较高的初始电压时,开路电压急剧下降;温度升高,双电层电荷泄漏的速率提高,自放电加大。(3)稻壳基活性炭材料的热处理改性,减小稻壳基活性炭超级电容器的自放电行为,改善稻壳基活性炭超级电容器的电化学性能。结果表明,采用热处理方法对稻壳基活性炭改性可以得到高性能的改性稻壳基活性炭材料,在保持原有的多级孔结构基础上,改变了微介孔比例,减少了表面含氧官能团。改性前后的稻壳基活性炭材料所制备的双电层超级电容器在0.5 A g~(-1)的电流密度下质量比电容分别为116 F g~(-1)和147 F g~(-1),24小时自放电电压保持分别在75.2%和84.5%;在1.0 A g~(-1)条件下10000圈恒流充放电循环后,电容保持率分别为85%和92%。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM53;TQ424.1
【部分图文】：

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第一章绪论二氧化硅的去除和挥发性物质（如二氧化碳）的产生，应该是稻壳基多孔碳纳米结构孔隙形成的主要原因[18]。碳化后，形成二氧化硅-碳复合物，其中，二氧化硅小颗粒紧密堆积在表面上，尺寸小于 100 nm。在氢氟酸处理并完全除去二氧化硅后，会形成相对有序的约 1 mm 的大孔。

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图 3.1（a）在室温下，三电极体系下 Et4NBF4/PC 电解质溶液中的泄漏电流测试和（b）在室温下，样品在 φ8 * 20 卷绕式双电层超级电容器中的自放电行为Fig.3.1 (a) Leakage current measurements in a three-electrode cell system inEt4NBF4/PC electrolyte at room temperature and (b) Self-discharge characteristic ofthe samples in φ8*20 supercapacitor in Et4NBF4/PC electrolyte at room temperature.如图 3.1（b）所示，经过 24h 自放电实验，稻壳基活性炭超级电容器开路电压为 1.80V，保持初始电压值的 72%，YP-50 超级电容器开路电压为 2.08V，保持初始电压值的 83.2%。这说明稻壳基活性炭和 YP-50 相比，YP-50 自放电性能更优，具有更好的储能能力。与此同时，将稻壳基活性炭和 YP-50 应用于卷绕式双电层超级电容器，体积比电容值分别为 6.1 F cm-3和 10.5 F cm-3。这种结果可能是由于材料本身的性质及其孔道结构的差异造成的。通过对比稻壳基活性炭和 YP-50 的自放电情况和泄漏电流情况，我们发现

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图 3.2 （a-b）稻壳基活性炭（RHAC）的 SEM 图像Fig. 3.2 SEM image of (a-b) rice husk-based activated carbon (RHAC)我们用 N2吸脱附测试用来表征样品的孔特征。如图 3.3（a）所示，稻壳基活性炭的 N2吸附-解吸等温线表现出典型的 I/ IV 型等温线，并且在相对压力（P/ P0）低的情况下显示出很高的吸附量，表明稻壳基活性炭中存在大量的微孔结构。吸附量随着相对压力的增加而不断增加，但仍未达到 P / P0值接近 1.0 时的平稳期，这意味着稻壳基活性炭中存在介孔和微孔。如图 3.3（b）所示，很明显RHAC 中的孔，主要是微孔和 2 nm 范围内的一部分介孔。计算出稻壳基活性炭

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