生物质多孔碳材料的电化学及其气体吸附性能研究
能源短缺和环境污染成为制约人类发展的两大问题，因而寻求和发展清洁高效的可再生替代能源显得尤为迫切，要解决这一问题，需要加大对高效能源的存储和转化的材料和器件的研究。超级电容器因具有可以在大电流下进行充放电、充放电时间短、功率密度较高、循环稳定性好等优点，克服了电池功率密度较低，循环寿命短和燃料电池的启动时间较长的缺点。超级电容器的性能在很大程度上取决于电极材料，碳材料因具有成本低廉、来源广泛等特点，而备受青睐。 生物质因具有来源广泛、分布范围广、环境友好以及可再生等特点，被用于制备多孔碳材料，生物质导出的多孔碳因其较高的比表面积、合适的孔径分布以及自带的杂原子掺杂等使得其成为制备电容器电极材料的选择。 本文的主要工作如下: (1)以来源广泛、成本低廉、杂原子丰富的生物质杨木屑作为前驱体，以KOH为活化剂，氩气作为保护气体，采用一步碳化活化的方法在高温下进行热解，合成出了杨木屑导出的高性能的多孔碳用作电极材料。探究了碳化温度(T=650，700，750，800℃)对多孔碳材料结构形貌、石墨化程度、含氮量、孔径分布等的影响。 (2)测试了四种杨木屑导出的氮掺杂多孔碳材料的电容性能，通过在双电极和三电极体系下，不同电解液中（酸性、碱性和中性）的电化学测试。结果显示，在750℃下制备的NPC-750具有高达2149m2·g-1的BET比表面积，0.97cm3·g-1的孔体积以及包含中微孔的等级孔结构，较高的石墨化程度(IG/ID=1.39)和氮含量尤其是石墨氮含量，为其优异的电容性能提供了可能。NPC-750具有高达362F·g-1的比电容，76％的电容留率，以及10000次循环之后，高达92.2％电容保留率和99％的库伦效率。 (3)为进一步提高碳基材料的电容性能，尤其是以能量密度为代表的实际应用性能，在氮掺杂多孔碳NPC-750的基础上，通过原位聚合的方法，合成了氮掺杂多孔碳和聚苯胺的二元复合材料(NPC/PANI)，通过调控二者的复合比例获得了最佳的复合比例。对其进行电化学测试，发现复合材料的电容保留率由76％提高到了89.9％，双电极下有比原来的0-1V更宽的电压测试窗口0-1.4V，最大能量密度由5.66提升到了15.45Wh·kg-1提高了1.73倍。二元复合材料优异的电化学性能主要归因于双电层电容法拉第赝电容之间组合产生的协同效应。 (4)测试了NPCs材料对二氧化碳的吸附性能，测试结果表明，NPC-750对CO2的吸附量最大，1bar条件下0℃下可以达到4.21mmol·g-1，与相关报道中的吸附量相当，该性能归因于其高的比表面积和等级孔分布。
电极材料;生物质多孔碳;电化学性能;气体吸附性能
北京化工大学
硕士
化学工程
曹达鹏;高耸
2018
中文
TM242;TM201.4
89
2018-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）