生物质基碳材料在超级电容器中的研究及应用

摘要

超级电容器，也称为电化学电容器(ECs)，是一种可持续发展和可再生的能量转换或存储设备，具有高功率密度、优异的循环稳定性(＞100000)、良好的操作安全性、高的热稳定性、快速充/放电和循环寿命长等特点受到越来越多的关注。超级电容器根据储能机理主要分为两种，双电层电容器(EDLC)和赝电容电容器。双电层是指插入电解液中的电极表面与溶液两侧会分布电荷数量相等而符号相反的离子层，在溶液中和电极上形成了两个电荷层，从而使相间产生电位差，其电极材料主要是碳基材料。赝电容是指电极和电解质界面发生了快速、可逆的化学吸附/脱附或氧化/还原反应，赝电容电容器的主要材料是金属氧化物。由碳基材料组成的双电层电容器具有优异的倍率性能、快速动力学和高功率密度，这是由于碳基材料具有高的比表面积，可提供巨大的电荷存储容量和促进电解质离子的快速吸附/脱附过程。而赝电容电容器具有更高的能量密度，其原因之一可归于更宽的电压窗口。 根据以上所述，本文先选取储量大、取材方便、富含N和P等杂元素且成本低廉的生物质作为碳前驱体，以不同活化温度制备N、P共掺杂多孔碳材料，探究活化温度和N、P元素对多孔碳材料的形貌结构及其电化学性能的影响。为进一步改善其电化学性能，通过高温水热反应，原位生长纳米功能相，实现生物质多孔碳与金属氧化物的复合，并研究复合材料的电化学性能。主要研究内容和结论如下: (1)以浮萍为碳前躯体，采用碳化活化的方法，将浮萍生物质转化为N、P共掺杂的生物钟多孔碳材料。在最佳活化温度(750℃)活化下，N、P含量分别为3.39 at％和0.25 at％的碳化浮萍样品表现出分级的介孔结构，其比表面积高达约1636 m2 g-1。在三电极装置测试中，当电流密度为1 A g-1时，浮萍多孔碳电极的比电容达到315.2 F g-1。此外，在电流密度为1 Ag-1时，两电极的最大电容量为225.0 F g-1，能量密度高达25.3 Wh kg-1，并具有高稳定性，在5 A g-110000次循环后电容保持率约为95％。 (2)以浮萍为碳源获得的多孔碳，通过140℃水热反应6h原位生长δ-MnO2纳米片，获得多孔碳负载的MnO2(DWC-750@MnO2)复合电极材料。实验结果证明多孔碳材料的高孔隙和导电率可以有效地增强δ-MnO2纳米片的赝电容性能。在三电极体系中，获得的纳米复合材料所制备的电极不仅呈现390 F g-1的高比电容，而且表现出优异的倍率性能和良好的循环稳定性。此外，为进一步探究纳米复合材料的应用，本文以DWC-750@MnO2为正极材料，DWC-750为负极材料，PVA/LiCl为固态电解质，组装全固态柔性非对称超级电容器。恒电流充放电的电位窗口范围为0～2 V，在电流密度为1 A g-1时，能量密度高达40.1 Wh Kg-1。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1生物质能的简述

1．1．1生物质

1．1．2生物质能

1．1．3生物质能的利用

1．2多孔碳电极材料的概述

1．2．1多孔碳材料电极

1．2．2多孔碳材料的制备

1．2．3氮/磷掺杂多孔碳

1．3超级电容器的简介

1．3．1超级电容器的定义和基本特点

1．3．2超级电容器的分类及工作原理

1．3．3柔性超级电容器

1．4超级电容器的电解液

1．5多孔碳/金属氧化物复合材料作为电极材料

1．6本课题提出的意义及研究内容

第二章浮萍生物质衍生多孔碳材料的制备及其电化学性能研究

2．1前言

2．2实验部分

2．2．1实验中使用的主要药品与仪器设备

2．2．2实验内容

2．2．3样品形貌及性能的表征

2．3结果与讨论

2．3．1多孔碳材料的制备与表征

2．3．2材料比表面积和孔径结构分析

2．3．3材料石墨化程度分析

2．3．4材料表面化学性质分析

2．4 DWC-X的电化学性能表征与分析

2．4．1三电极体系电化学性能测试

2．4．2两电极体系电化学性能测试

2．5结论

第三章生物质多孔碳负载MnO2复合材料的制备及其电化学性能研究

3．2．1实验中使用的主要药品与仪器设备

3．2．2实验内容

3．2．3样品形貌及性能的表征

3．3结果与讨论

3．3．1 DWC-750@MnO2复合材料的结构与形貌分析

3．3．2 DWC-750@MnO2复合材料的物相分析

3．4 DWC-750@MnO2的电化学性能测试

3．4．1三电极体系电化学性能测试

3．4．2两电极体系电化学性能测试

3．5结论

第四章总结与展望

4．1总结

4．2研究不足和展望

参考文献

硕士期间发表论文

致谢