废弃物基碳储能材料的制备及其超级电容性能研究

摘要

电极材料作为超级电容器的灵魂,决定着其性能与价格.高效、廉价的电极材料的开发和利用意义重大.具有微纳结构的碳材料如石墨烯、碳纳米管、碳纤维、碳微球以及多孔碳等因其独特的结构、高比表面积、良好的导电性以及优异的物理和化学稳定性,是极具潜力的高性能超级电容器电极材料.本论文以廉价的废弃物(废弃机油、胡麻油渣)为原料,通过碳化活化、高温自压热解等方法简易制备出性能优异的多孔碳及碳纳米管,同时制备了金属硫化物/碳纳米管复合电极材料,对所获得材料的结构和形貌进行等进行了系统的表征,并将其作为超级电容器电极材料对其电化学性能进行了系统测试. (1)以废弃机油为碳源,经碳化活化工艺,获得具有高比表面积和优异电化学性能的分级多孔碳纳米片材料,为废弃机油的资源化利用提供了一种新的方法.系统优化了碳化温度以及活化剂用量对所获得材料的形貌、比表面积、孔容以及表面元素和官能团的影响.其结果表明碳化温度为700℃,热解碳/活化剂比例为1∶4时所获得样品具有最高的比表面积和比电容.其比表面积高达2276m2g-1,孔容达1.19cm3g-1,比电容最高达352F g-1,在20A g-1的大电流密度下电容保持率达到87.7%,并且经5000次循环后电容无显著损耗,显示出优异的倍率和循环性能. (2)以废弃机油为碳源、二茂铁为催化剂,采用高温自压热解法制备多壁碳纳米管(CNT)材料,并对其制备条件进行了优化.其结果表明,当热解温度为900℃,碳源/催化剂比例为2∶1时所制备的样品中碳纳米管纯度最高,形貌最好.对所制备的碳纳米管进行电化学性能测试,其结果表明,在电流密度为0.5A g-1时,所获得多壁碳纳米管的比电容最高达到75F g-1,相比于商用多壁碳纳米管提高了大约一倍(38.5F g-1).电流密度从0.5A g-1增加到20A g-1时,所制备多壁碳纳米管的电容保持率为83.3%,且经5000次循环后,电容保持率达到95%,表现出优异的电化学性能. (3)以废弃机油为碳源,二茂铁为铁源及催化剂,升华硫为硫源,通过高温热解——硫化法,充分利用制备CNT时所残留的纳米Fe颗粒,简易制备出纳米FeS2/CNT复合物.对所获得的复合材料进行了系统表征,并考察了其电化学性能.其结果表明纳米FeS2附着于CNT表面或者被CNT所包裹,从而形成3D网络结构.复合材料在0.5A g-1电流密度下比电容达到350F g-1,为纯纳米FeS2比电容的1.45倍.当电流密度从0.5A g-1增大到10A g-1时,复合材料的电容保持率约为56.4%,较纯纳米FeS2仅21%的电容保持率显著提高.通过与CNT进行复合后,复合材料经1000次循环后的电容保持率约为纳米FeS2的1.5倍,从46.5%显著提高到69.7%,说明通过与自制CNT复合可大幅提高纳米FeS2的电化学性能. (4)以生物质废弃物胡麻油渣为碳源,经碳化活化工艺,获得了具有高比表面积和优异电化学性能的分级多孔碳材料.经优化后所获得样品比表面高达到3230m2g-1,孔容达到1.67cm3g-1.在电流密度为0.5A g-1时,比电容最高能达369F g-1.当电流密度从0.5A g-1增加到20A g-1时,电容保持率为92.7%.同时,在电流密度2A g-1下经5000次循环后其电容保持率为98%,表现出优异的倍率、循环性能.

目录

声明

第1章：绪论

1.1 引言

1.2 超级电容器概述

1.2.1 超级电容器简介及发展历程

1.2.2 超级电容器优点及结构

1.2.3 超级电容器分类及工作原理

1.3 超级电容器电极材料

1.3.1导电聚合物材料

1.3.2 金属化合物材料

1.3.3 微纳结构碳材料

1.3.4 碳基复合材料

1.4 废弃物在电化学储能系统中的应用

1.4.1 废弃物概述

1.4.2 废弃物基碳材料

1.5本文的选题依据及主要研究内容

1.5.1 选题依据

1.5.2研究内容

第2章废弃机油基分级多孔碳纳米片的制备及其电容性能研究

2.1 引言

2.2实验部分

2.2.1 实验中所用药品及仪器设备

2.2.2 分级多孔碳纳米片材料的制备

2.2.3 电极材料的制备

2.2.4 材料的表征

2.2.5 材料的电化学表征

2.3结果和讨论

2.3.1样品的形貌分析

2.3.2 样品的比表面积及孔径分析

2.3.3 样品的拉曼光谱分析

2.3.4 样品的表面元素分析

2.3.5 样品的电化学性能测试

2.4本章小结

第 3 章 废弃机油基碳纳米管的高温自压热解制备及其电容性能研究

3.1 引言

3.2实验部分

3.2.1实验试剂及仪器

3.2.2 碳纳米管的制备

3.2.3材料表征

3.2.4电化学表征

3.3结果和讨论

3.3.1 样品的形貌分析

3.3.2 样品的比表面积及孔径分析

3.3.3 样品的XRD分析

3.3.4 样品的拉曼光谱分析

3.4 样品电化学性能研究

3.4.1 三电极体系下样品循环伏安、恒流冲放电测试

3.4.2 两电极体系下样品电化学性能测试

3.5本章小结

第4章 废弃机油基CNT/FeS2复合材料的简易制备及其电容性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 本实验所需药品及仪器设备

4.2.2 样品的制备

4.2.3 样品表征

4.2.4 样品电化学表征

4.3 结果与讨论

4.3.1 样品形貌分析

4.3.2 样品XRD分析

4.3.3 样品拉曼光谱分析

4.4 样品的电化学性能测试

4.4.1 循环伏安测试

4.4.2 恒流充放电测试

4.4.3 循环稳定性测试

4.4.4 交流阻抗测试

4.5 本章小结

第5章 胡麻油渣基分级多孔碳材料的制备及其电容性能研究

5.1引言

5.2 实验部分

5.2.1实验所需药品及设备

5.2.2 多孔碳样品的制备

5.2.3样品表征

5.2.4 样品电极材料的制备及其电化学表征

5.3结果与讨论

5.3.1样品的形貌分析

5.3.2 样品的氮气吸附分析

5.3.3 样品的拉曼分析

5.3.4 样品XPS分析

5.4 样品电化学性能研究

5.4.1 三电极体系电化学性能研究

5.4.2 两电极体系下电化学性能

5.5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A攻读学位期间所发表的学术论文及申请专利目录