褐煤碱分离物制备多孔炭材料用于超级电容器

摘要

超级电容器具有较高的功率密度和能量密度，是一种新型的储能器件，可以很好地满足人们对日益增长的电力储存需求。电极材料是影响其性能的关键，科研人员追求的目标是开发价格低廉、性能优异的电极材料。褐煤资源丰富，价格低廉，但褐煤发热量低、灰分高和含水量高等缺点抑制了其在工业上大规模应用。 本文采用宝清褐煤为原料，通过KOH溶液抽提分离得到抽提物和残渣，分别活化制得多孔炭材料，并与KOH和煤物理掺混活化制得的多孔材料进行对比。为得到性能更为优良的材料，对制备工艺进行优化，考察碱煤比、活化温度和活化时间对材料孔隙结构和电化学性能的影响。以比表面积与孔径测定仪（BET）、傅里叶红外光谱仪（FTIR）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）和X射线光电子能谱仪（XPS）等现代分析手段对样品进行表征分析样品的微观结构和表面化学组成等特点，以恒流充放电（GCD）、循环伏安（CV）和交流阻抗（EIS）等电化学方法测试产品的电化学性能。研究结果如下： （1）以碱煤比4∶10抽提分离得到的碱抽提物在600oC下活化60min制备出多孔炭材料（LC），样品具有丰富的中、微孔，为离子快速传输提供通道，比表面积最大可达1422m2/g，有利于电解质的离子吸附。三电极体系中，在6mol/L KOH电解液中电流密度为0.5A/g时的比电容最高可达276.6F/g，在4A/g时的比电容为219.9F/g；由此材料组装成的纽扣电池，在0.5A/g的比电容可达299.9F/g，循环5000圈后的电容保持率为94.99%。 （2）以碱煤比4∶10抽提分离得到的残渣在700oC下活化30min制备出的多孔材料（SC）作为电极材料，在三电极体系中，在0.5A/g时，比电容量最大为248.7F/g，在4A/g时，比电容量为204.0F/g，由此组装成的纽扣电池，在0.5A/g的比电容量为268.4F/g，循环5000圈的电容衰减率仅为5.39%。 （3）以KOH为活化剂，将物理掺碱法和碱抽提分离法制备出的样品进行对比。在三电极体系中，由碱煤比5∶10进行物理掺混后活化得到的样品（PCL-5），在0.5A/g时比电容量达到最大，为175.3F/g，在4A/g的比电容量为136.0F/g；由碱煤比4∶10进行物理掺混后活化得到的样品（PCS-4），在0.5A/g时的比电容值为188.4F/g，在4A/g时比电容量则为144.2F/g。对比发现褐煤由碱分离制备出的多孔材料（LC与SC）具备更优异的电化学性能，表明碱分离法更适合制备多孔炭材料用于超级电容器。褐煤有望成为比容量和倍率性较高并且可逆性较好的超级电容器电极材料。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1研究背景

1.2.1 超级电容器概述

1.2.2 超级电容器的碳基材料概述

1.2.3 煤基活性炭的制备方法概述

1.2.4 电极材料电化学性能的影响因素概述

1.3.1 研究意义

1.3.2 研究内容

2 实验部分及分析测试方法

2.1实验原煤

2.2仪器与药品

2.3多孔炭材料的制备

2.3.1 原煤的处理

2.3.2 褐煤碱分离

2.3.3 活化步骤

2.3.4 酸洗脱灰

2.4.1 制备电极材料

2.4.2 组装电极

2.5.1 氮气物理吸附（BET）测试

2.5.2 扫描电镜（SEM）分析

2.5.3 透射电镜（TEM）分析

2.5.4 X射线衍射（XRD）分析

2.5.5 傅里叶红外光谱（FTIR）分析

2.5.6 X射线光电子能谱（XPS）分析

2.6.1 恒流充放电（GCD）法

2.6.2 循环伏安（CV）法

2.6.3 电化学阻抗（EIS）法

2.6.4 循环寿命

3 由碱抽提物制备多孔炭材料及其电化学性能研究

3.1碱抽提物制备多孔材料

3.1.1 碱抽提物制备多孔材料的制备工艺

3.1.2 碱煤比对碱抽提物的收率的影响

3.2.1 多孔炭材料的SEM表征

3.2.2 多孔炭材料的TEM表征

3.3制备工艺对多孔材料化学性质的影响

3.3.1 碱煤比对多孔材料化学性质的影响

3.3.2 活化温度对多孔材料化学性质的影响

3.3.3 活化时间对多孔材料化学性质的影响

3.4制备工艺对多孔材料孔隙结构的影响

3.4.1 碱煤比对多孔材料孔隙结构的影响

3.4.2 活化温度对多孔材料孔隙结构的影响

3.4.3 活化时间对多孔材料孔隙结构的影响

3.5制备工艺对多孔材料电化学性能的影响

3.5.1 碱煤比对多孔材料电化学性能的影响

3.5.2 活化温度对多孔材料电化学性能的影响

3.5.3 活化时间对多孔材料电化学性能的影响

3.6 本章小结

4 残渣制备多孔炭材料及其电化学性能研究

4.1残渣制备多孔材料

4.1.1 残渣制备多孔材料的制备工艺

4.2.2 碱煤比分离后残渣的收率

4.2.1 多孔材料的SEM表征

4.2.2 多孔材料的TEM表征

4.3制备工艺对多孔材料化学性质的影响

4.3.1 活化时间对多孔材料化学性质的影响

4.3.2 活化温度对多孔材料化学性质的影响

4.3.3 碱煤比对多孔材料化学性质的影响

4.4制备工艺对多孔材料孔隙结构参数的影响

4.4.1 活化时间对多孔材料孔隙结构的影响

4.4.2 活化温度对多孔材料孔隙结构的影响

4.4.3 碱煤比对多孔材料孔隙结构的影响

4.5制备工艺对多孔材料电化学性能影响

4.5.1 活化时间对多孔材料电化学性能的影响

4.5.2 活化温度对多孔材料电化学性能的影响

4.5.3 碱煤比对多孔材料的电化学性能影响

4.6 本章小结

5碱物理掺混与碱分离物制备多孔材料性能对比

5.1碱物理掺混制备多孔材料

5.2.1 多孔材料的SEM表征

5.2.2 多孔材料的XRD表征

5.2.3 多孔材料的FTIR表征

5.3不同工艺对多孔材料孔结构参数的影响对比

5.3.1 不同碱煤比掺混制备的多孔材料与LC-4孔结构对比

5.3.2 不同碱煤比掺混制备的多孔材料与SC-4孔结构对比

5.4不同工艺对多孔材料电化学性能的影响对比

5.4.1 不同碱煤比掺混制备的多孔材料与LC-4电化学性能对比

5.4.2 不同碱煤比掺混制备的多孔材料与LC-4电化学性能对比

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

作者简历