基于生物质的超高比表面积多孔碳的制备及超电容性能研究

发布时间：2018-01-20 07:48

  本文关键词： 超级电容器 生物质基碳材料 KOH活化 超高比表面积　出处：《深圳大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着社会经济的发展和人们生活方式的变化,具有高能量密度和功率密度的储能设备成为研究的热点。而超级电容器作为一种同时具有高功率密度和较高能量密度的新型储能设备,这些年来备受人们的关注。电极材料是超级电容器的核心部分,直接影响其性能。碳材料是应用最为广泛的电极材料,而生物质由于其具有可再生、成本低廉、来源广泛等特点,成为电极碳材料的一个重要来源。本文选用茄子和荷叶作为碳源,通过高温碳化和KOH活化制备出超高比表面积的生物质基碳材料,通过用元素分析仪与X射线光电子能谱仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼散射光谱、比表面及孔径分析仪、固体核磁共振技术对生物质碳材料的元素组成、表面形貌、结构、比表面积、孔径及孔容分布等特性进行了表征,并将生物质基多孔碳材料制成超级电容器的电极,测试其在不同电解液中电化学性能,主要内容如下:(1)以茄子作为生物质前驱体,在不同温度下(600℃~1000℃)通过高温热解得到不同温度下的茄子基碳化物,但其比表面积都较小,比电容值偏低。因此采用KOH造孔增加茄子基活性碳的比表面积,选择KOH/C质量比分别为1、2和4,得到三个比表面积分别为1596 m2/g、2454 m2/g、3667 m2/g的多孔活性碳(三个碳材料分别标记为EK-1、EK-2、EK-4)。其中具有超高比表面积的产物EK-4在碱性和酸性电解质中都表现出最好的电化学性能。在6 mol/L的KOH电解液中,EK-4样品在0.5 A/g下的比电容值为249.7 F/g,功率密度为124.9 W/kg,能量密度为8.6 Wh/kg,同时表现出优异的倍率性能与循环寿命,在5 A/g的电流密度下并经过5000次循环后比电容保持率为94.6%。在H_2SO_4电解质中,所制备多孔碳的性能与碱性电解质中接近。(2)选取荷叶生物质作为碳源,通过预碳化和KOH固体研磨活化法制备出超高比表面积的荷叶基活性碳。选择KOH/C质量比分别为0、1、2和4,得到比表面积分别为78 m2/g、1941 m2/g、3537 m2/g和4482 m2/g的四中碳材料(分别标记为CLL-800、LK-1、LK-2、LK-4)。其中LK-4是目前为止报道的比表面积最高的生物质基多孔碳材料。分别以KOH、H_2SO_4和离子液体为电解质组装了纽扣型超级电容器并系统测试了其电容性能。在6 mol/L的KOH溶液中,LK-4电化学性能最好,在0.5 A/g电流密度下比电容为288.7 F/g,功率密度为124.9 W/kg,能量密度为10.0 Wh/kg,该材料同样表现出色的倍率性能及循环稳定性在恒定5 A/g电流密度,进行测试5000次循环后电容保持率为102.9%,在酸性电解质中,其性能与KOH中接近。同时,以离子液体中为电解质时,LK-4也表现出最优电化学性能,其最高能量密度能量密度为111.9 Wh/kg,与目前文献报道的基于碳电极材料最高的能量密度接近。
[Abstract]:With the development of social economy and the change of people's way of life. Energy storage equipment with high energy density and power density has become the focus of research. Supercapacitors as a new type of energy storage equipment with both high power density and high energy density. Electrode material is the core part of supercapacitor, which directly affects its performance. Carbon material is the most widely used electrode material, but biomass is renewable and low cost. In this paper, eggplant and lotus leaves were used as carbon sources to prepare biomass based carbon materials with ultra-high specific surface area through high temperature carbonization and KOH activation. By means of elemental analyzer, X-ray photoelectron spectrometer, scanning electron microscope, transmission electron microscope, Raman scattering spectrum, specific surface and aperture analyzer. The elemental composition, surface morphology, structure, specific surface area, pore size and pore volume distribution of biomass carbon materials were characterized by solid nuclear magnetic resonance (SNMR). The electrode of supercapacitor was made of biomass based porous carbon material. The electrochemical properties of supercapacitor were tested in different electrolytes. The main contents were as follows: 1) eggplant was used as biomass precursor. The eggplant based carbides were obtained by pyrolysis at different temperatures (600 鈩，

本文编号：1447429