废糖液制备杂原子掺杂分级多孔炭及电化学性能研究

摘要

维生素C工业生产过程中会产生大量的废糖液，其作为一种强酸性的有机废弃物难以被直接高效利用。废糖液的主要成分是2-酮基-L-古龙酸，其分子结构与葡萄糖等生物质类似，灰分含量低且富含有机质，是制备多孔炭材料的潜在前驱体。双电层电容器（EDLC）作为具有发展潜力的新型储能装置，具有充放电速度快、孔隙发达和性质稳定等优点。杂原子掺杂是提高EDLC电极材料电化学性能的有效方法之一。表面官能团的增加不仅能提高多孔炭材料的润湿性进而获得有效的比表面积，也可通过法拉第反应产生赝电容。此外，分级多孔炭特殊的孔径分布（微孔、中孔和大孔）和发达的孔隙率可促进电解质离子在孔道中的快速转移，从而提高炭材料的倍率性能。 本论文利用废糖液作为碳前驱体，制备了杂原子掺杂分级多孔炭，并装载EDLC，探究了制备条件对分级多孔炭结构和电化学性能的影响。主要内容包括以下两个部分： 第一部分，制备氧掺杂分级多孔炭。废糖液通过抽滤预处理，除去不可溶的杂质，并对废糖液和木质素的混合物进行炭化，结合KOH活化制备氧掺杂分级多孔炭。木质素具有三维网状结构和较高的氧含量，加入木质素可增大多孔炭的比表面积和含氧官能团，但过量木质素加入发生扩孔作用会导致部分孔的坍塌，时多孔炭的比表面积降低。本论文研究了木质素的添加量、炭化条件和活化条件对氧掺杂分级多孔炭孔结构和电化学性能的影响。当添加1g木质素、炭化温度为600℃、活化温度为600℃和活化比例为3∶1时，制备的分级多孔炭具有较高的比电容值428F/g（40mA/g）。同时，在电流密度为5A/g下循环12000次后，呈现了良好的循环性能和电容保持率（96%），且其能量密度为12Wh/kg。 第二部分，制备氮原子掺杂分级多孔炭。在水热过程中加入尿素，将Mg(OH)2作为模板剂进行炭化，经KOH活化制备氮原子掺杂分级多孔炭。研究发现，改变尿素的加入量和活化条件等，可有效调控多孔炭的孔道结构。当添加12g尿素、活化比例为3:1时制备的多孔炭，其中孔体积为0.50cm3/g，高于只添加尿素（0.23cm3/g）和只加模板剂（0.41cm3/g）制备的多孔炭的中孔体积，且在电流密度为40mA/g时，比电容可达366F/g，具有良好的电化学性能。 综上所述，本研究不仅对废糖液进行了简易高效的处理，而且实现了废糖液的高附加值利用，同时探究了制备条件对分级多孔炭材料的孔隙结构和电化学性能的影响。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1课题背景

1.2超级电容器简介

1.3双电层电容器概述

1.3.1 双电层电容器组件

1.3.2 双电层电容器的炭基电极材料

1.4提高炭基电极材料性能的方法

1.4.1 增大比表面积

1.4.2 引入表面官能团或者杂原子

1.4.3 引入聚合物

1.5 分级多孔炭

1.6.1 研究意义

1.6.2 研究内容

2 实验方法和原理

2.1实验材料和设备

2.2 材料表征

2.2.1 元素分析

2.2.2 热重（TG）分析

2.2.3 傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析

2.2.4 X射线衍射（XRD）分析

2.2.5 X射线光电子能谱（XPS）分析

2.2.6 扫描电子显微镜（SEM）分析

2.2.7 透射电子显微镜（TEM）分析

2.2.8 BET比表面及孔径分析

2.3电极的制备和电化学性能测试

2.3.1 电极的制备和双电层电容器的组装

2.3.2 恒电流充放电（GCD）测试

2.3.3 循环伏安（CV）测试

2.3.4 交流阻抗（EIS）测试

2.3.5 循环寿命测试

3 原料的属性表征

3.1原料的理化性质

3.2原料的结构表征

3.3 小结

4 氧掺杂分级多孔炭的制备及其电化学性能研究

4.1实验部分

4.1.1 氧掺杂分级多孔炭和双电层电容器的制备

4.1.2 材料的表征

4.1.3 电化学性能测试

4.2.1 物理化学表征

4.2.2 电化学性质

4.3 本章小结

5 氮掺杂分级多孔炭的制备及其电化学性能研究

5.1实验部分

5.1.1氮掺杂分级多孔炭及双电层电容器的制备

5.1.2 材料的表征

5.1.3 电化学性能测试

5.2.1 结构表征

5.2.2 尿素添加量的影响

5.2.3 活化条件的影响

5.3 本章小结

6 结论及创新点

6.1 结论

6.2 创新点

参考文献

附录

作者简历

学位论文原创性声明

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