生物质棕榈壳衍生多孔碳在电化学储能上的应用
发布时间：2020-10-26 11:03
电极材料是影响超级电容器(ECs)和锂硫(Li-S)电池性能的主要因素。由于碳材料价格低廉、来源广泛、理化性能稳定等,广泛应用于冶金、陶瓷、催化剂、气体吸附剂和电极材料等领域。目前,采用生物质替代传统的矿物原料并将其衍生为多孔碳材料,不仅能够优化材料的性能,而且可以达到经济环保的共赢作用。因而受到研究者的广泛关注。本论文从可再生生物质废弃物——棕榈壳(PKS)出发,将其作为廉价碳源,经过初步碳化和氢氧化钾(KOH)化学活化,有目的地提出一种简单而有效的方案以制备棕榈壳多孔活性碳材料,利用扫描电镜(SEM)、氮气吸附法(BET)、碘值测定等手段对碳材料进行形貌、结构和性能的研究,并将它们应用于超级电容器和锂硫电池正极材料。本文研究的主要内容如下:(1)以可再生生物质棕榈壳为碳源,经过初步碳化和以KOH为活化剂的化学活化,制备出棕榈壳多孔活性碳材料,其比表面积高达2760 m2g 1,碘吸附值可达1100 m2 g-1。碳材料收率,比表面积及孔体积,碘吸附值和微观形貌等的影响因素主要来自于碱碳比,活化温度等工艺参数,通过对其进行深入探讨,确定了当碱碳比为4:1,活化温度为900 ℃时,其制备工艺最佳。棕榈壳活化后所得多孔活性碳材料仍属于无定型碳,主要含有C、H、O和少量S、N元素。(2)将制备的棕榈壳多孔活性碳应用于超级电容器。棕榈壳不仅作为低成本的碳源,其丰富的纤维素,木质素等成分更为最终产物提供了氮、硫、磷等杂原子。杂原子的存在不仅提供了氧化还原赝电容,也有利于抑制碳材料表面部分含氧官能团在充放电过程中发生的不可逆变化。受益于多孔结构及其组成的协同作用,所制备的棕榈壳衍生N,S,P共掺杂多孔活性碳表现出优异的电化学性能。在3.0 mol L-1的KOH电解质溶液中,三电极体系在电流密度为1.0 A-1时其比电容(Cs)可达380 Fg-1,并且具有良好的倍率性能以及循环稳定性;此外,所制备的对称超级电容器在1.0 Ag-1的电流密度下也具有优异的循环性能,且在398.4 W kg-1的功率密度下其最大能量密度为27.6 Wh kg-1。(3)将制备的棕榈壳多孔活性碳材料作为锂硫电池正极材料的导电框架,所得多孔碳/硫复合电极具有高比容量,良好的速率能力和稳定的循环性能。在200 mA g-1的电流密度下,具有60%硫含量的多孔碳/硫复合电极的初始放电容量为1045 mAh g1。在800 mA g-1的电流密度下,多孔碳/硫复合电极在1000次循环中显示出66%的容量保持率,其库仑效率保持在约99%。良好的电化学性能归因于多孔碳优异的结构参数,超高比表面积和大孔体积不仅提高硫含量,而且确保元素硫在导电骨架中的分散,从而提高硫的利用率,同时多孔碳的孔结构可以在充放电过程中有效抑制多硫化物的扩散。
【学位单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK6;TM53;TM912
【部分图文】：
印度尼西亚地区），我国台湾、海南岛等地亦有大量种植。目榈种植园，大部分在东盟地区，其中马来西亚单独提供了?５００榈油从其果实中提取，提取后会产生大量的废弃物，如纤维，等。仅仅在马来西亚，大约３６２家棕榈油厂每年处理约８２００约３３００万吨废弃物，每年生产超过７．８吨／公顷的加工鲜果，除。??（Ｐａｌｍ?Ｋｅｒｎｅｌ?Ｓｈｅｌｌ，?ＰＫＳ）是从果肉中抽取果核，然后将果核是棕榈壳，是一种干固体废弃物。棕榈壳是棕榈油生产过程中产２０２０年，仅仅马来西亚将生产总共１亿吨／年的生物质废弃物，，棕榈壳废弃物会在分解过程中引起气味恶劣，倾倒和有害甲为生物能源直接燃烧，能源回收利用和生产多孔活性碳等可解人员共同研宄的结果。由于ＰＫＳ废弃物资源庞大，这对于增。??Ｃｅ！ｌｕｓ：?：?，??
的Ｈ２０?（式（１））和Ｃ０２?（式（３）和（６））的形成通过碳气化进一步发展孔隙率［４１］，即??物理活化（式（２）和（７））；?（ｃ）所制备的金属Ｋ?（式（５），?（８）和（９））在活化期间有??效插入碳基体的碳晶格，导致碳晶格的膨胀［４２］，如图１－２。通过洗涤以除去插层中的金属??Ｋ和其他Ｋ化合物后，膨胀的碳晶格不能恢复到之前的无孔结构，因此产生了大的比表面??积和孔体积所需的多孔结构。??Ｃａｒｂｏｎ?ｌａｔｔｉｃｅ?Ｍｅｔａｌｌｉｃ?ｐｏｔａｓｓｉｕｍ?ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｅｄ?Ａｃｔｉｖａｔｅｄ?ｃａｒｂｏｎ??ｉｎｔｏ?ｔｈｅ?ｃａｒｂｏｎ?ｆａｔｔｉｃｃ??图１－２通过金属Ｋ滲透到碳晶格中的活化机理，通过插入的金属Ｋ膨胀晶格以及从碳基质中去除插入??的?ｋ［４２］??在ＫＯＨ活化碳中，大比表面积和高孔隙率的发展是由金属Ｋ插入的协同综合作用，??包括化学活化，物理活化和碳晶格扩展的结果。然而，真正的反应过程和活化机理不仅取??决于活化参数（即ＫＯＨ的量，活化温度等），而且还取决于各种碳源的反应性。活化参数??和碳源对孔隙微观结构和表面化学性质有显著的影响，这进一步影响了从吸附到电能储存??的许多应用中ＫＯＨ活化碳的性能。因此，活化程序所产生令人期望的结构和性质的多孔??活性碳
?Ｃ２??图１－４基于多孔电极材料的电化学双层电容器示意图ｌ４３］??如图１－４示意图所示，在充电过程中，双电层电容器（ＥＤＬＣ）的正表面吸引电解质的??阴离子，而阳离子聚集在负电极的表面上ｔ５３］。电解质离子接近电极材料，但与其不发生反??应或不被吸收。其电容则取决于电极的比表面积，电解质的类型和双电层的有效厚度（德??拜长度），根据下式：??Ｃ＝字?（１）??ｄ??其中Ｃ是ＥＤＬＣ的电容，＆是电解质介电常数，ＳＱ是真空介电常数，ｄ是双电层的有??效厚度（电荷分离间距），Ａ是电极比表面积。??只有电解质离子可接触的电极表面才有助于电荷存储，因此，需要优化电极材料的孔??径，孔结构，表面性质和导电性才有助于提高双电层电容。这种存储机制允许其在数百万??次充电／放电循环期间产生非常快速的能量吸收和输送以及保证ＥＤＬＣ的高稳定性１５２］。??与ＥＤＬＣ相比
【参考文献】
本文编号：2856911
【学位单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK6;TM53;TM912
【部分图文】：
印度尼西亚地区），我国台湾、海南岛等地亦有大量种植。目榈种植园，大部分在东盟地区，其中马来西亚单独提供了?５００榈油从其果实中提取，提取后会产生大量的废弃物，如纤维，等。仅仅在马来西亚，大约３６２家棕榈油厂每年处理约８２００约３３００万吨废弃物，每年生产超过７．８吨／公顷的加工鲜果，除。??（Ｐａｌｍ?Ｋｅｒｎｅｌ?Ｓｈｅｌｌ，?ＰＫＳ）是从果肉中抽取果核，然后将果核是棕榈壳，是一种干固体废弃物。棕榈壳是棕榈油生产过程中产２０２０年，仅仅马来西亚将生产总共１亿吨／年的生物质废弃物，，棕榈壳废弃物会在分解过程中引起气味恶劣，倾倒和有害甲为生物能源直接燃烧，能源回收利用和生产多孔活性碳等可解人员共同研宄的结果。由于ＰＫＳ废弃物资源庞大，这对于增。??Ｃｅ！ｌｕｓ：?：?，??
的Ｈ２０?（式（１））和Ｃ０２?（式（３）和（６））的形成通过碳气化进一步发展孔隙率［４１］，即??物理活化（式（２）和（７））；?（ｃ）所制备的金属Ｋ?（式（５），?（８）和（９））在活化期间有??效插入碳基体的碳晶格，导致碳晶格的膨胀［４２］，如图１－２。通过洗涤以除去插层中的金属??Ｋ和其他Ｋ化合物后，膨胀的碳晶格不能恢复到之前的无孔结构，因此产生了大的比表面??积和孔体积所需的多孔结构。??Ｃａｒｂｏｎ?ｌａｔｔｉｃｅ?Ｍｅｔａｌｌｉｃ?ｐｏｔａｓｓｉｕｍ?ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｅｄ?Ａｃｔｉｖａｔｅｄ?ｃａｒｂｏｎ??ｉｎｔｏ?ｔｈｅ?ｃａｒｂｏｎ?ｆａｔｔｉｃｃ??图１－２通过金属Ｋ滲透到碳晶格中的活化机理，通过插入的金属Ｋ膨胀晶格以及从碳基质中去除插入??的?ｋ［４２］??在ＫＯＨ活化碳中，大比表面积和高孔隙率的发展是由金属Ｋ插入的协同综合作用，??包括化学活化，物理活化和碳晶格扩展的结果。然而，真正的反应过程和活化机理不仅取??决于活化参数（即ＫＯＨ的量，活化温度等），而且还取决于各种碳源的反应性。活化参数??和碳源对孔隙微观结构和表面化学性质有显著的影响，这进一步影响了从吸附到电能储存??的许多应用中ＫＯＨ活化碳的性能。因此，活化程序所产生令人期望的结构和性质的多孔??活性碳
?Ｃ２??图１－４基于多孔电极材料的电化学双层电容器示意图ｌ４３］??如图１－４示意图所示，在充电过程中，双电层电容器（ＥＤＬＣ）的正表面吸引电解质的??阴离子，而阳离子聚集在负电极的表面上ｔ５３］。电解质离子接近电极材料，但与其不发生反??应或不被吸收。其电容则取决于电极的比表面积，电解质的类型和双电层的有效厚度（德??拜长度），根据下式：??Ｃ＝字?（１）??ｄ??其中Ｃ是ＥＤＬＣ的电容，＆是电解质介电常数，ＳＱ是真空介电常数，ｄ是双电层的有??效厚度（电荷分离间距），Ａ是电极比表面积。??只有电解质离子可接触的电极表面才有助于电荷存储，因此，需要优化电极材料的孔??径，孔结构，表面性质和导电性才有助于提高双电层电容。这种存储机制允许其在数百万??次充电／放电循环期间产生非常快速的能量吸收和输送以及保证ＥＤＬＣ的高稳定性１５２］。??与ＥＤＬＣ相比
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 李君涛;吴娇红;张涛;黄令;;不同生物炭材料的制备及其在Li-S电池中的应用（英文）[J];物理化学学报;2017年05期
2 OMAR Abed Habeeb;RAMESH Kanthasamy;GOMAA A.M.Ali;ROSLI bin Mohd Yunus;;Experimental Design Technique on Removal of Hydrogen Sulfide using CaO-eggshells Dispersed onto Palm Kernel Shell Activated Carbon:Experiment,Optimization,Equilibrium and Kinetic Studies[J];Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science);2017年02期
3 Sumair Imtiaz;张建;Zahid Ali Zafar;季胜楠;黄太仲;James A.Anderson;张昭良;黄云辉;;源自于生物质的纳米多孔炭在锂硫电池中的应用(英文)[J];Science China Materials;2016年05期
4 王杰;王文举;;棕榈壳热解特性及动力学分析[J];中国科技论文;2013年09期
5 杨海平;陈汉平;陈应泉;王贤华;张世红;;热解过程中棕榈壳焦的物化结构演变特性[J];中国电机工程学报;2008年32期
本文编号：2856911
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/xnylw/2856911.html
