氮掺杂纳米碳材料的电化学储能及碳捕获性能研究

摘要

能源短缺和温室效应是全球共同面临的挑战。超级电容器由于具有功率密度高、循环寿命长、应用领域广等优点而受到广泛的研究，被看作是缓解能源危机的有效途径。电极材料作为超级电容器的核心，其结构组成决定了电容器的性能。纳米碳材料以其高比表面积、稳定性好、孔结构及组成可调、形状多样和廉价易得等特点被广泛应用于电化学储能和气体吸附分离领域。由于来源广泛，价格低廉等特点，生物质作为碳源制备纳米碳材料已经成为热点，尤其是制作碳电极材料和碳基固体吸附剂。因此，本文利用玉米作为碳源制备氮掺杂的纳米碳材料，重点研究了其电化学储能和碳捕获性能。主要工作包括以下方面：
　　（1）以市售玉米为原料，采用传统加热爆炸制备方法和器具制备了爆米花。在较低温度（400℃）将其预碳化保持骨架结构。预碳化的产物与KOH以不同的钾碳比（KOH/C=0.5，1，2）进行活化造孔处理，得到了具有高比表面积、高孔隙率的氮掺杂多孔碳，其孔结构具有高微孔特征。当钾碳比为2时，材料的比表面积达到1489m2 g-1，总孔容高达0.706cm3 g-1。该方法与文献报道的微波方法相比，具有设备成本低、产量高、方便等特点，容易量化生产。
　　（2）微孔结构使得爆米花多孔碳在能源储存领域具有明显优势。将爆米花多孔碳用于超级电容器中，结果表明活化后样品由于高比表面积和发达的孔隙结构而具有非常优异的超级电容器性能。钾碳比为1的产物具有最高的比电容，在0.5A g-1电流密度下，比电容高达245F g-1。而且在10A g-1的较大电流密度下，PC-1K电极在循环充放电使用13000次后，容量保持率高达94％，表明材料优异的循环稳定性。进一步探究了比表面和表面氮含量之间的协同效应，发现单位比表面积的电容对表面氮含量在不同电流密度下均成线性单调递增关系，且电流密度降低时拟合直线的斜率增大(0.087±0.004～0.159±0.008)，表明低电流密度下表面氮对材料的本征电容影响更明显。
　　（3）碱性氮掺杂的特性使得爆米花多孔碳在CO2等酸性气体吸附领域具有潜在应用前景。将爆米花多孔碳用于CO2吸附，结果表明比表面积最小、表面氮含量最高的活化样品具有最高的吸附量，为4.60mmol g-1（25℃，1066mbar下）。进一步的研究发现单位微孔的CO2吸附量y（mmol cm-3）与表面氮含量x（at%）具有良好的线性关系，y=0.90+6.84x（r2=0.85）。材料的结构与组成之间的协同作用赋予材料优异的电化学储能和二氧化碳吸附性能。这为高比电容电极材料和高容量二氧化碳吸附材料的设计与结构的优化提供了新策略。

目录

声明

引言

1绪论

1.1超级电容器概述

1.2超级电容器电极材料的研究进展

1.3多孔碳材料的CO2吸附

1.4本文研究思路及内容

2实验部分

2.1实验试剂与原材料

2.2实验仪器与设备

2.3材料的结构表征

2.4材料的电化学性能测试

3生物质衍生多孔碳的制备及其电化学储能性能研究

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章总结

4 PC和PC-xK的碳捕获性能研究

4.1引言

4.2实验部分

4.3 PC和活化后样品PC-xK的碳捕获测试结果及分析

4.4本章小结

5结论

参考文献

附录A AMPC的相关测试结果

在学研究成果

致谢