蚕沙碳材料的制备及其电容器特性的研究
天然生物质蚕沙是一种可再生的碳源材料。本文研究了不同工艺条件制备蚕沙碳材料用于超级电容器中的电容特性。主要内容如下： （1）蚕沙碳的制备：生物质原材料蚕沙在惰性气氛下碳化，然后采用氢氧化钾活化处理，制备超级电容器电极材料。分别探究了碳化温度，碳化时间，活化温度，活化时间，碱碳比，惰性气体保护气等不同的工艺条件对蚕沙碳材料的表面结构、物理性能的影响。采用热重分析、XRD、XPS、BET、SEM、TEM等手段分析蚕沙碳材料的表面结构和性质。 （2）电容特性研究：将所制备的蚕沙碳材料用作超级电容器电极材料，通过三电极体系分别测试在1mol/LLi2SO4、1mol/LNa2SO4和6mol/LKOH电解液中蚕沙碳材料电极的循环伏安、直流充放电以及交流阻抗等电化学性能的影响，确立制备蚕沙碳材料的最佳工艺条件。 热重分析研究表明：生物质原材料蚕沙其碳化过程主要包括自由水蒸发，结合水析出，热解以及缓慢失重四个阶段。在370℃-500℃之间发生相变，此阶段纤维素和木质素发生热分解，C-O，C-C键断裂。在600℃开始，到最后900℃发生缓慢失重，蚕沙总失重率为90%。不同碳化温度的蚕沙XRD分析表明：随着温度的升高，蚕沙碳材料的峰强度随之增大，峰宽逐渐变窄，表明蚕沙碳材料中的石墨微晶的尺寸和数目随炭化温度的升高均呈增大的趋势。拉曼分析表明：碳化后的蚕沙材料C原子缺陷较多，对碳化后的蚕沙材料活化处理，分析表明C原子晶体的缺陷比较少，石墨化度高。扫描电镜分析研究表明：经过碳化、活化处理之后的蚕沙碳材料颗粒大小平均在1-2μm之间，且活化过后的蚕沙碳材料颗粒更加薄化，层次分明。透射电镜分析研究表明：碳化后的碳材料有明显的杂质，而活化后的蚕沙碳材料孔径增多，石墨化程度增强。比表面积分析研究表明：活化后的蚕沙碳材料其比表面积大大增加，最高可达到2958.2cm2/g，其孔径因为比表面积的增大而减小。 最优化工艺条件为碳化温度600℃、碳化时间2h、碱碳比4:1、活化时间2h、活化温度700℃时，不同保护气氛得到的蚕沙碳材料在1mol/LLi2SO4电解液中的比容量分别为：在氮气保护为577.9F/g，在氩气保护为517.5F/g,在氢氩混合气（5%氢气）为464.1F/g。循环伏安曲线图为类矩形，说明其为双电层电容器，具有一定的对称性，且没有氧化还原峰。最佳工艺条件下制备的蚕沙电极材料其阻抗很小，高频区约45°的标准斜线，说明蚕沙碳材料丰富的孔结构，增加离子通过率，减小其内阻。最佳工艺条件下制备的蚕沙电极材料具有良好的循环稳定性，在6mol/L的KOH电解液中循环12000圈容量效率保持在71.4%。
超级电容器;蚕沙;碳化;电极材料;电化学性能
上海应用技术大学
硕士
化学工程
张全生;晏莉琴
2020
中文
TM53
2021-11-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）