蒜基废弃物制备多孔炭及超级电容性能优化研究

发布时间：2020-11-10 14:15

　　 随着人们对于能源储存与利用的日益重视,超级电容器作为一种新型的储能器件具有较好的可持续发展性。电极材料使用废弃的生物质,不仅可以利用生物质天然孔隙结构的优势,还可以降低电容器生产成本,近年来成为研究热点。大蒜在剥皮加工过程中会产生废弃物蒜皮,同时蒜皮中会残留部分蒜瓣。本研究选用残留的蒜瓣为原料,制备出具有高比表面积的超级电容器用活性炭。同时选用蒜皮为原料,采用盐酸预处理工艺对蒜皮基活性炭进行性能优化,实现了对蒜皮基活性炭孔结构的有效调控。以蒜瓣为原料,选用KOH为活化剂,通过响应面法研究了炭化温度、碱炭比、活化温度对蒜瓣基活性炭孔结构的影响。探索得到了制备蒜瓣基活性炭的最佳工艺条件:碱炭比为4:1,炭化温度541℃,活化温度800℃。通过该实验条件得到的蒜瓣基活性炭GBAC-M 比表面积为3175.20 m2/g,孔容为1.791 cm3/g,孔径分布主要集中在0-4 nm之间。以GBAC-M为电极材料,6 mol/L的KOH溶液为电解液制备超级电容器,在电流密度为1 A/g时比电容达到334.9 F/g。在5 A/g电流密度下充放电5000次时,GBAC-M 比电容保持率高达97.03%。以蒜皮为原料,选用KOH为活化剂,对蒜皮进行盐酸水浴加热预处理,并通过炭化、活化制备蒜皮基活性炭HGAP。通过实验得到盐酸预处理的最佳条件为:将蒜皮在1 mol/L盐酸溶液中水浴60℃加热搅拌3 h,炭化温度为600℃。最终制备成蒜皮基活性炭HGAP-7比表面积高达3325.23 m2/g,孔容为1.881 cm3/g,且介孔含量较于未进行预处理的蒜皮基活性炭GAP有明显的提升。以HGAP-7为电极材料,以6 mol/L的KOH为电解液,制备的电容器在电流密度为1 A/g的条件下,比电容达到了 424.4 F/g。且当电流密度为50 A/g时,相比于1 A/g的比电容,电容保持率高达73.8%。通过盐酸预处理工艺制备的蒜皮基活性炭比表面积增大,介孔含量增多,以其为电极材料制备的超级电容器倍率性能及循环稳定性有明显的提升。为了更加全面的了解蒜皮基活性炭的电化学性能,分别以蒜皮基活性炭GAP和HGAP-7为电极材料,选取聚乙烯醇(PVA)为原料,制备PVA-KOH电解质,组装固态超级电容器。并对其进行恒电流充放电、循环伏安、交流阻抗、长循环等测试,分析蒜皮基固态超级电容器的电化学性能。以HGAP-7为电极材料制备的固态电容器在1 A/g的电流密度下比电容为230.5 F/g,当电流密度达到50 A/g时,比电容仍可达到202.1 F/g。综上所述,本文研究了蒜瓣基活性炭的制备工艺,材料特性与电化学性能,得到了具备高比表面积、高比电容的蒜瓣基活性炭。同时探究了盐酸预处理对蒜皮基活性炭孔隙结构与电化学性能的影响,得到了一种简单的调控蒜皮基活性炭孔结构的预处理方法,并分析了蒜皮基活性炭在固态电解质与液态电解质中的电化学性能。研究结果为蒜基废弃物的高值化利用、孔结构的定向调控提供了理论依据与参考。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TM53;X705
【部分图文】：

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本文编号：2878027