精细多级结构自掺杂生物质衍生碳材料的制备及其在超级电容器中应用的研究
随着传统化石能源储量严重枯竭，全球变暖形势日趋严峻，迫切需要开发利用可持续能源。超级电容器因为他们的高功率密度，好的循环性能，和环境友好的特性最近吸引了越来越多的关注。最近，生物质衍生碳已被越来越多地应用于超级电容器的电极。与传统的碳材料相比，生物质是丰富的，可再生的，环境友好的，并且具有较低的成本。本文利用具有精细多级结构的生物质竹荪与满江红作为碳源，通过KOH活化法制备了生物质衍生多孔碳，并探究了KOH活化的条件对所得碳材料结构与性能的影响。本文的主要研究内容如下: 通过简单的碳化和KOH活化法制备了一种新的竹荪衍生的分级多孔炭（DHPC）。所得碳材料具有大的比表面积(2254m2g-1)，三维互连的多级孔结构和丰富的杂原子掺杂。该结构包含天然蜂窝状多孔结构，在其碳壁上具有微孔和中孔结构。在三电极测试系统中，DHPC-2电极在0.5Ag-1时具有357F g-1的高比电容，即使在30A g-1时也具有279F g-1（保留78％）和稳定的循环性能，在5A g-1下经过5000次循环后仍保留94％。此外，DHPC-2对称超级电容器装置在0.1A g-1时具有43.7Wh kg-1的优异能量密度，在10A g-1时具有18kW kg-1的功率密度。因此，这种基于竹荪的电极材料有望用于制备环境友好且高性能的能量存储装置。 另外，利用同样简便的碳化和活化法制备了满江红衍生的生物质多孔炭(APC)。通过BET表征分析，该材料表面被KOH刻蚀出了纳米级孔隙，形成了大的比表面积和分级多孔结构。XPS结果表明其含有N，O等杂原子掺杂，可以提高材料的电化学性能。在电化学测试中，三电极系统下APC-800的比电容为346.3F g-1(0.5A g-1)当电流密度增加到30A g-1时，比电容可保留78.3％。在5A g-1下经过5000次充放电循环，比电容的损失保持在5％，表现出良好的循环稳定性。APC-800制作的对称超级电容器能量密度可达38.9Wh kg-1(0.1A g-1)，功率密度达到8.7kW kg-1(5A g-1)，显示出优异的电化学性能。
超级电容器;电极材料;生物质衍生多孔碳;制备工艺;电化学性能
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
程珏
2019
中文
TM53;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）