生物质废弃物基高性能多孔碳材料的制备及其在超级电容器中的应用

摘要

超级电容器，也称为电化学电容器，是一种化学储能装置，其高的能量密度和功率密度可以弥补常规电池和传统电容器功率密度和能量密度过低的缺点。近几年，超级电容器由于具有高的功率密度、快速充放电、长的循环寿命以及对环境友好等特点越来越受到人们的青睐。超级电容器能够在短时间内储存和释放电能，这使得其能适应高级工业设备所需的电能，电动和混合动力电动汽车和智能电网的应用程序。高比表面积的多孔材料作为超级电容器电极材料能够很好地提高其比电容。碳材料具有多孔结构、高的表面积、良好导电性、优异的循环稳定性、可逆的电能存储容量以及高的储能能力，这些条件能够满足作为超级电容器电极材料的需要。
　　在本文中，我们用低成本的生物质废弃物作为碳源，通过直接碳化、化学活化剂ZnCl2、ZnCl2和FeCl3活化等活化方法制备了具有高比表面积的多孔碳材料作为超级电容器电极材料。并对所制备的活性碳材料做了孔结构分析、表面化学特性研究以及电化学性能测试，并将结果同已报道的生物质废弃物碳材料做了比较，发现我们所制备的碳材料具有更优异的电化学性能。主要研究的内容和所得结果如下：
　　1、通过一步碳化法直接碳化生物质废弃物豆渣来制备氮掺杂的活性碳材料。我们通过扫描电镜、透射电镜、氮气吸脱附、X射线光电子能谱对材料的形态学结构做了测试和分析。在700oC下碳化的活性炭材料呈现出良好的形态学结构和优异的电化学性能。在电流密度为0.5 A g-1时比电容达到了215 F g-1，经过5000次充放电循环，依然保持了良好的电容性。将其组装成对称电容器装置，在功率密度为236 W Kg-1时能量密度达到9.95 Wh kg-1。由于这种高性能多孔碳超级电容器电极材料具有高的比表面积和有效的氮含量，使其具有很高的潜在引用价值。
　　2、以农业废弃物马铃薯废渣为原料制备了一种低成本高性能的氮掺杂多孔碳材料。在制备过程中我们用马铃薯废渣为碳源，三聚氰胺为氮源，ZnCl2为化学活化剂。我们通过扫描电镜（SEM）、氮气吸脱附、X-射线衍射（XRD）和拉曼实验研究了所制备材料的形态学结构。当活化温度为700oC时所制备的氮掺杂多孔碳材料的比表面积高达1052 m2/g，在2 M KOH电解质中，电流密度为0.5A g-1时比电容高达255 F g-1。电极材料也表现出优异的循环稳定性，在电流密度为5A g-1时，经过5000次循环恒电流充放电，其比电容依然保持93.7％。
　　3、以葵花秸秆髓为原料通过ZnCl2和FeCl3化学活化碳化制备了多孔碳材料。我们所制备的葵花秸秆基多孔碳材料（PSMCs）具有大量的微孔和介孔存在，其比表面积达到了1628.5 m2 g-1，孔体积高达2.34 cm3 g-1。作为电极材料，PSMCs在电流密度为0.5 A g-1时拥有高达252.5 F g-1的比电容。以PSMCs为电极材料组装成的对称超级电容器器件在电位窗口为0.2 V0.5 M Na2SO4溶液电解质中，功率密度为817 W kg-1时能量密度达到了12.4 Wh kg-1。经过5000次恒电流充放电循环，其比电容依然能够保持97%，展现出优异的循环稳定性能。

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西北师范大学研究生学位论文作者信息

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第一章绪论

1.1 引言

1.2 超级电容器概述

1.3超级电容器的结构和主要参数

1.4超级电容器的分类和工作原理

1.5超级电容器碳电极材料的研究

1.6碳纳米管

参考文献

第二章一步碳化豆渣制备氮掺杂多孔碳材料及其在超级电容器中的应用

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4电化学行为和特征

2.5 小结

参考文献

第三章马铃薯废渣基氮掺杂多孔碳材料在超级电容器中的应用

3.1前言

3.2 实验部分

3.3 材料结构分析表征方法

3.4 电化学性能测试

3.5 结果与讨论

3.6小结

参考文献

第四章葵花秸秆髓多孔碳电极材料在高性能超级电容器中的应用

4.1 前言

4.2实验部分

4.3 材料结构分析表征方法

4.4电化学性能测试

4.5 电化学性能评估

4.6结果与讨论

4.7电化学特性测试

4.8 小结

参考文献

攻读硕士研究生期间发表论文情况

致谢