生物质基多级孔碳材料的制备、优化及其超级电容器性能研究

摘要

近年来，可持续发展已成为材料研究领域一种新趋势。幸运的是，在各种多孔碳材料中，生物质衍生的多孔碳材料不仅具有良好的导电性质，而且其来源丰富、制备成本低，已逐渐成为超级电容器电极材料研究的新方向。其中，利用生物质废弃物去制备为具有分级多孔结构的高性能储能材料，这符合能源可持续发展的主题。本文以废弃木质生物质为碳源制备多孔碳材料，并探究其用于超级电容器的性能，具体内容如下： 以废弃悬铃木种子为碳源，采用四种方法制备了具有不同孔结构的碳材料。通过对比直接碳化法、碳化-活化法、水热-碳化法和碱水热-碳化法这四种方法，发现碱水热-碳化法制备的H/K-PSC800的多孔结构参数是最优的。这是因为在碱水热预处理过程中，KOH能够加速原料悬铃木种子内部木质素和半纤维素的热剥离和降解，更重要的是，强碱会留存在种子内部，从而在后续的高温碳化过程中起到活化剂的作用。之后对四种多孔碳材料进行电化学性能表征，进一步证明了碱水热-碳化法制备的样品其电化学性能最优异的。由此可见，碱水热-碳化法是一种优选的制备悬铃木种子基多孔碳材料的方法，其中碱水热预处理步骤对于所得多孔碳的结构形成和演变是至关重要的。 确定采用碱水热-碳化法后，本课题进一步探究了不同碳化温度对所得多孔碳材料H/K-PSCX（X=700、800、900）孔结构及其组成超级电容器性能的影响。结果发现，H/K-PSC800样品具有非常大的比表面积（1540.6m2g-1）和微孔、介孔及大孔结构并存的三维网状海绵结构，其比表面积要远大于H/K-PSC700样品（1360.9m2g-1）和H/K-PSC900样品（1312.8m2g-1）。而且H/K-PSC800的碳含量高达91.7%，使得其导电性也很好。H/K-PSC800的合理孔结构和良好的导电性使其具有优异的比电容（在含水电解质中1.0A g-1的电流密度下其比电容为315F g-1）、良好的容量保持率（电流密度增加10倍，其比电容降低28.9%）和高循环稳定性（2000次循环后仍然具有93%的初始电容保持率），由其组装得到的超级电容器具有优异的能量密度和功率密度（在500W kg-1的低功率密度下其能量密度为30.9Wh kg-1）。 以松木基多孔屑为原料，再次利用碱水热-碳化法进行多孔碳的制备。实验发现，碱的用量对材料的前期预处理及后续的活化过程有一定的影响，只有碱用量达到一定数值才会对松木结构产生破坏作用。而且随着碱用量的增加，松木内部结构的破坏程度增加，纤维素也出现了晶型的转变，最终得到的多孔碳材料H/K-PC800-5具有最好的孔径结构及优异的导电性。H/K-PC800-5具有优异的比电容（在含水电解质中1.0A g-1的电流密度下比电容为363F g-1），由其组装得到的超级电容器同样具有优异的比电容（在1.0A g-1的电流密度下比电容为254.1F g-1），还具有优异的循环稳定性（在5A g-1电流密度下经过2000次循环后仍然具有92%的初始电容保持率）。

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 生物质材料

1.2.1 植物基生物质材料种类

1.2.2 植物基生物质材料性质

1.3 碳材料的多孔结构

1.3.1 无序孔结构

1.3.2 有序孔结构

1.4 多孔碳材料的制备

1.4.1 热解法

1.4.2 水热碳化法

1.4.3 熔盐碳化法

1.4.4 液化-碳化法

1.5 超级电容器概述

1.5.1 超级电容器的工作原理及种类

1.5.2 超级电容器组件

1.6 生物质基多孔碳材料在超级电容器中的应用

1.7 选题的目的及意义

第二章 三球悬铃木种子基多级孔碳材料制备方法的探究及其电化学性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原材料及实验试剂

2.2.2 实验设备

2.2.3 多孔碳材料PSC800和aPSC800的制备

2.2.4 多孔碳材料H-PSC800和H/K-PSC800的制备

2.2.5 PS、FH及PS基多孔碳材料的物理表征

2.2.6 PS基多孔碳材料工作电极的制备

2.2.7 电化学性能表征

2.3 实验结果及讨论

2.3.1 PS及FH热重分析比较

2.3.2 PS基多孔碳材料的物理表征及分析

2.3.3 PS基多孔碳材料的电化学性能表征

2.4 小结

第三章 不同碳化温度下三球悬铃木种子基多级孔碳材料的超级电容性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验原材料及实验试剂

3.2.2 实验设备

3.2.3 多孔碳材料H/K-PSCX的制备

3.2.4 多孔碳材料H/K-PSCX的物理表征

3.2.5 多孔碳材料H/K-PSCX工作电极的制备

3.2.6 电化学性能表征

3.3 实验结果及讨论

3.3.1 多孔碳材料H/K-PSCX的物理表征及分析

3.3.2 多孔碳材料H/K-PSCX的电化学性能表征

3.3.3 H/K-PSC800基超级电容器的电化学性能表征

3.4 小结

第四章 松木屑基多级孔碳材料制备方法的探究及其超级电容器性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验原材料及实验试剂

4.2.2 实验设备

4.2.3 松木基多孔碳材料的制备

4.2.4松木及松木基多孔碳材料的物理表征

4.2.5 松木基多孔碳材料工作电极的制备

4.2.6 电化学性能表征

4.3 实验结果及讨论

4.3.1 松木屑样品的热重分析

4.3.2 松木基水热碳的物理表征

4.3.3 松木基多孔碳材料的物理表征

4.3.4 松木基多孔碳材料的电化学表征

4.3.5 H/K-PC800-5基超级电容器的电化学性能表征

4.4 小结

结论

参考文献

致谢

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