生物质基电容炭的制备及其电化学性能研究
目前，不可再生化石资源的大量消耗引起环境的日益恶化、灾难性气候频出，开发可再生绿色能源已经成为世界各国亟待解决的问题。近几年，风能、光能已经成为最有产业化希望的新能源，但是，由于自然风力和太阳光的不稳定性成为新能源行业发展的最大障碍。因此，有效的储能材料和储能装置是走出困境的关键技术。超级电容器具有功率大、循环寿命长等优点，被认为是目前最有前景的储能设备之一。而提高能量密度的关键在于优化电容器电极材料。本论文旨在通过研究电容炭的制备方法改善其电化学性能，进而提高其能量密度。 本论文采用水解-活化两步法制备了生物质基电容炭；并对其进行了氮掺杂改性和TiO2负载改性处理，改善了生物质基电容炭的电化学性能。水解步骤产生的水解液可用作生产糠醛的原料，减少了废液的排放。本论文的具体研究成果如下： 1.水解-活化两步法制备玉米芯基活性炭、稻壳基活性炭和桔子皮基活性炭。水解-活化两步法制备玉米芯基活性炭的碘吸附值达到1726.5mg?g-1，活性炭的粗产率为16.2%。在水解过程中，玉米芯结构中的半纤维素被水解，形成结构松散的水热炭前驱体，因此，活化剂KOH可以充分渗透到水热炭前驱体中进行刻蚀活化。该方法制备的活性炭的微孔容积比例53.06%，说明有大量的介孔和/或大孔存在。这种分级孔结构提高了玉米芯基电容炭的电化学性能。 水解-活化两步法制备了稻壳基活性炭，在电流密度为0.5A?g-1时的比容量为199F?g-1；提高电流密度至20A?g-1时，容量保持率为92.0%。 通过水解-活化两步法制备了桔子皮基电容炭，通过考察不同活化剂对电容炭的电化学性能的影响，揭示了桔子皮基电容炭的结构和性能的关系。H3PO4在活化过程中具有使孔结构膨胀的趋势，活化产生的较大微孔结构（1.3-1.8nm）不仅提供了较大的电子吸附空间，而且为离子传输和转移提供了畅通的通道；由于KOH的刻蚀作用，在其活化的桔子皮基活性炭表面形成大孔，这些大孔提高了电容炭的倍率性，减小了电极的阻抗。 2.通过氮掺杂和TiO2负载改性稻壳基电容炭，考察了改性方法和改性条件对电化学性能的影响。 以十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）为氮源对玉米芯基电容炭进行氮掺杂，掺杂氮后的电容炭的比表面积和微孔比例增加。所制备的含氮电容炭表现出较好的电化学性能：比容量增至252F?g-1（5mV?s-1）；电流密度为20A?g-1时的容量保持率为71.7%；电流密度为1A?g-1时恒流充放电10000圈后，电极的容量保持率为90.7%。 以乙二胺为氮源，分别用微波水热处理法和常温浸渍法对稻壳基电容炭进行氮掺杂研究。电化学测试结果表明，微波水热处理法制备的电容炭的电化学性能优于常温浸渍法所制电容炭，该法制备的含氮电容炭在电流密度为20A?g-1时的功率密度为4685W?kg-1，能量密度为6.25Wh?kg-1。 通过微波水热法对稻壳基活性炭进行了TiO2负载，以提高电容炭的体积比容量。500℃和700℃焙烧处理后分别形成锐钛矿型和金红石型TiO2/活性炭复合材料。负载TiO2后，活性炭的比表面积减小，比容量增大。三电极CV测试结果表明，负载的TiO2由于氧化还原反应产生赝电容。当电流密度增至20A?g-1时，锐钛矿型TiO2/AC的能量密度维持在6.9Wh?kg-1。 3.用木糖水溶液代替生物质水解液进行糠醛生产研究。用釜式反应装置进行糠醛生产时，在低水含量反应体系中，对NaCl催化木糖脱水制糠醛的反应条件进行了优化，糠醛的产率可达到61.5%；H-ZSM-5分子筛为催化剂时，糠醛产率可达52.4%。
超级电容器;电极材料;生物质基电容炭;氮掺杂;二氧化钛负载;电化学性能
吉林大学
博士
物理化学
王子忱
2020
中文
TM53;TM242:TM205.1
2020-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）