生物质基碳复合电极材料的制备及其超电容性能的研究

摘要

超级电容器因具有循环寿命长、充放电速度快和功率密度高等优点，被广泛地运用在电动汽车、电子器件等领域中。碳材料因具有导电性高、化学稳定性高以及原材料丰富等优点，已成为当前超级电容器的主要电极材料之一。寻找廉价、绿色和可再生的原材料制备活性炭（AC）已经成为当下的一大热点。以生物质为原材料制备生物质碳材料，既可节约成本，还可缓解因焚烧生物质而造成的环境问题。
　　本论文以廉价的生物质为原材料，制备得到超级电容器 AC电极材料以及 AC基复合物电极材料。主要研究成果如下：
　　（1）以火龙果皮（DF）、罗汉果皮（MG）和梧桐絮（FC）作为碳源，先在Ar气氛中进行碳化，采用KOH活化后再在Ar气氛中进行高温煅烧，获得了具有高比表面积的碳材料。经过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和拉曼光谱（Raman）表征说明，制备得到的ACs表面为无定型结构。傅立叶红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）表征说明，制备得到的ACs含有大量的含氧官能团，这些官能团对增加 ACs的赝电容和提高电解液与 ACs表面的亲水性有很大帮助。氮气吸脱附测试说明，制备得到的AC s具有较高的比表面积。由微孔和介孔所组成的分级孔结构有利于电解液离子的扩散和传输。电化学测试说明，在电流密度为0.5 A g?1时，DF-AC、MG-AC和FC-AC的比电容分别是287 F g?1、239 F g?1和227 F g?1。结果说明，制备得到的ACs具有较高的比电容。在电流密度为4 A g?1以及连续充放电5000圈后，所有制备得到的ACs电极的比电容几乎没有衰减，说明制备得到的ACs具有优异的循环稳定性。
　　（2）以柚子皮(PP)作为碳源，先在Ar气氛中进行碳化，采用KOH活化后再在Ar气氛中进行高温煅烧，制备得到 PP-AC。主要探讨了4种摩尔浓度的KO H活化剂对所制备的PP-A C结构以及 PP-A C作为超级电容器电极材料的超电容性能的影响。当 KOH为3.0 mol L-1时，PP-AC呈现出相互贯通的孔结构，这为电解质离子的传输提供了通道，又提高了材料的比表面积。XRD表征说明，4种 PP-AC均呈现出无定型结构和一定的石墨化结构。电化学测试说明，在电流密度为1 A g-1时，KOH摩尔浓度分别为1 mol L-1、2 mol L-1、3 mol L-1和4 mol L-1时的4种 PP-AC电极材料的比电容分别是191 F g-1、247 Fg-1、260Fg-1和225Fg-1。在电流密度为2Ag?1以及连续充放电1000圈后，制备得到的ACs电极的电容几乎没有衰减，说明制备得到的ACs具有优异的循环稳定性。
　　（3）通过水热法合成了α-Ni(OH)2/PP-AC复合材料，探讨了不同质量配比下制备得到的复合物的电化学性能。SE M分析说明高比表面的PP-AC能够使α-Ni(OH)2分散在其孔内，防止了团聚现象的发生。XRD分析说明复合物材料中只有α-Ni(OH)2和C。在电流密度为6 A g-1时，α-Ni(OH)2/PP-AC复合材料的质量比为1：20的电极材料的比电容是994 F g-1，单纯的α-Ni(OH)2比电容是832 F g-1。在电流密度为8 A g?1时，连续充放电1000圈后，复合物材料的质量比为1：20的电极材料的电容保持率为84％，比单纯的α-Ni(OH)2的电容保持率（62％）高。结果说明，复合材料的比电容和倍率性均相比于单纯的α-Ni(OH)2电极和PP-AC电极有一定程度的提高。
　　（4）通过水热法合成了 NiMoO4 xH2O/PP-AC复合材料，探讨了不同摩尔比的NiMoO4 xH2O与 PP-AC制备得到的复合物的电化学性能。XRD分析说明复合物材料成分有 NiMoO4 xH2O和C。SEM图说明高比表面的PP-AC能够使 NiMoO4 xH2O分散在其孔内，增加了比表面积。在电流密度为1 A g-1，PP-AC与 NiMoO4 xH2O的摩尔比为25：24时，复合物电极材料的比电容为1075 F g-1，而单纯的NiMoO4 xH2O比电容为667 F g-1。在电流密度为2 A g?1，连续充放电1000圈后，PP-AC与 NiMoO4 xH2O的摩尔比为25：24的电极材料的电容保持率为87％，高于单纯的NiMoO4 xH2O的电容保持率（77％）。结果说明，复合材料的比电容和倍率性均相比于NiMoO4 xH2O电极和PP-AC电极有一定程度的提高。
　　本论文的研究结果说明，DF-AC、MG-AC和FC-AC都具有优异的电化学性能，具有作为超级电容器电极材料的潜力。相比于单纯的物质，α-Ni(OH)2/PP-AC和NiMoO4 xH2O/PP-AC的电化学性能得到了明显的提高。