生物质基制备超级活性碳及其电化学性能研究
超级电容器由于其高的功率密度和快速充放电等优势，可以作为新的能源储存装置，但是，超级电容器的功率和能量密度应进一步提高，这其中的关键因素就取决于电极材料的改进。本论文针对现如今电极材料价格昂贵、产率较低、孔径不可控的缺点，提出了一种开发超级电容器电极的新思路。选用在自然界中广泛存在、可以再生的生物质材料作为制备活性碳材料的原料，棉花是自然界中杂质较少的生物质，它的主要成分为纤维素，其他杂质的干扰较少。 本论文选用高温碳化、KNO3氧化、KOH活化的方法对生物质进行处理，制备生物质基活性碳材料，采用单因素测试的方法，结合各种测试手段如扫描电镜、X射线衍射、氮气吸脱附测试等以及恒流充放电、循环伏安等电化学测试，对制备的碳材料的结构、形貌、性能进行表征，得出碳化、氧化、活化过程的最佳条件。通过碳化、氧化、活化联合制备的多孔生物质活性碳材料，性能最优，它在电流密度为1A g-1时比电容可达283F g-1，当电流密度增大为100A g-1时，比电容可达229F g-1，仅有19.09％的衰减。此外，它具有优异的循环性能，在电流密度为20、50、100A g-1时，进行了100，000次循环后衰减较少，仅为3.5％，4.1％，5.8％。 本实验创新的采用在碳化过程中，磷酸盐作为碳化促进剂，这种方法可显著提高生物质碳化的产率。实验表明，采用磷酸氢二钠的最佳条件与棉花的质量比为6％时，碳化产率为23.18％，比电容为271.1F g-1。采用磷酸二氢钠的最佳条件为与棉花的质量比为2％时，碳化产率为24.43％，比电容为272.4F g-1。磷酸二氢钠与棉花的质量比为2％时，预碳化温度在350℃时，产率为25.11％，比电容为271.4F g-1。 最后创新性的提出生产比表面积可调，孔径可控的具有丰富的孔结构的碳材料的方法，在造孔过程中本论文分别采用粘胶纤维法及浸渍法进行实验。研究结果表明，在10g原材料棉花制备的粘胶中添加0.4g水玻璃，活性碳性能最佳，相比粘胶活性碳比表面积增加51.45％，放电比电容从142.2F g-1提升到209.5F g-1，提高了47.34％,采用浸渍法，制备的活性碳表面存在大量的孔隙结构，而且性能提高，在棉花与水玻璃的比例为4％时，放电比电容从273.6F g-1提升到288F g-1，增加了5.37％。
超级活性碳;制备工艺;生物质;电化学性能;超级电容器
北京化工大学
硕士
化学工程
金鑫;路永胜
2019
中文
TM242;TM205.1
2019-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）