木质素热裂解制备多孔碳材料及在超级电容器中的应用

摘要

木质素作为自然界中具有芳香性的高分子聚合物受到广泛关注。本文以木质素为原料，通过直接热裂解和催化热裂解两种方法制备多孔碳材料，并对其热解特性用SEM，粒径，有机元素，热重，傅里叶红外五种方法进行分析。其中，直接热裂解讨论了不同温度对热解特性的影响，催化热裂解讨论了不同碳碱比对热解特性的影响。然后对不同热裂解方法得到的碳孔材料用于超级电容器电极材料，讨论其电化学性能。
　　结果表明，木质素热裂解过程都分为三个阶段:自由水脱除、挥发分析出和深度热裂解。木质素的热裂解过程相对复杂，可以看作是化学键的不断的断裂和重组的过程，在较低的温度下木质素芳环上支链的官能团断裂，生成脂肪族物质，随着温度的升高，苯环也开始断裂，大分子的结构热裂解为小分子，在高温下自由基进一步重组。
　　木质素直接热解所得碳孔材料形貌成球状或半球状，表面存在大量孔隙，且表面粗糙，有起伏结构。粒径分布均匀，且随温度的升高粒径变小。催化热裂解所得碳孔材料形貌成球状或半球状，其形貌大部分都为半球状，且表面粗糙有起伏结构，表面存在大量孔结构。但随着碳碱比的提高，起伏结构变得越来越不明显。分布规律基本一致，平均粒径在66微米左右。相比于直接热裂解氢氧化钠催化裂解有利于碳孔材料粒径变小，且粒径大小与氢氧化钠的添加量无关。
　　不同温度下直接热裂解得到的碳孔材料以KOH为电解液组装的超级电容器，700℃的碳孔材料电学性能最优。充放电过程可逆稳定。在不同电流密度下，其比电容从40.8F/g下降到38F/g，下降5％左右。在1A/g的超大电流下循环500次，循环性能良好。
　　700℃直接热裂解得到的碳孔材料以不同电解液组装的超级电容器，以KOH为电解液的超电电学性能优于以Na2SO4为电解液的超电。虽两者的充放电过程可逆稳定，且循环性能良好，但以Na2SO4为电解液的超电在不同电流密度下，其比电容从7.8F/g下降到5F/g，下降比例36％左右。其比电容明显低于以KOH为电解液的超电的比电容，且下降比例严重。
　　不同碳碱比催化热裂解得到的碳孔材料以KOH为电解液组装的超级电容器，碳碱比为1∶1的碳孔材料电学性能最优。充放电过程可逆稳定。在不同电流密度下，其比电容从71F/g下降到62F/g，单电极比电容达到284F/g，下降13％左右。在1A/g的超大电流下循环500次，循环性能良好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 木质素概述

1．1．1 木质素结构

1．1．2 木质素应用

1．2 碳材料分类与制备

1．2．1 碳材料的分类

1．2．2 碳材料制备方法

1．3 超级电容器背景介绍

1．3．1 超级电容器概念

1．3．2 超级电容器电荷存储机理

1．3．3 超级电容器材料

1．3．4 超级电容器电解液

1．3．5 超级电容器系统

1．3．6 超级电容器表征方法

1．3．7 应用

第二章 直接裂解木质素多孔碳材料的制备与表征

2．1 引言

2．2 实验试剂及设备

2．2．1 主要化学试剂

2．2．2 实验设备

2．3 实验方法与检测

2．3．1 碳孔材料的制备

2．3．2 工艺流程

2．3．3 检测方法

2．4 结果与讨论

2．4．1 热解温度对碳材料得率的影响

2．4．2 碳材料的形貌分析

2．4．3 碳材料的粒径分析

2．4．4 有机元素分析

2．4．5 原料与碳材料的TG分析

2．4．5 原料与碳材料的红外分析

2．5 本章小结

第三章 催化裂解木质素多孔碳材料的制备与表征

3．1 引言

3．2 实验试剂及设备

3．2．1 主要化学试剂

3．2．2 实验设备

3．3．1 碳孔材料的制备

3．3．2 工艺流程

3．3．3 检测方法

3．4 结果与讨论

3．4．1 碳碱比对碳材料得率的影响

3．4．2 碳材料的形貌分析

3．4．3 碳材料的粒径分析

3．4．3 有机元素分析

3．4．4 碳孔材料的红外分析

3．5 本章小结

第四章 碳孔材料超级电容器的制备与电化学性能表征

4．1 引言

4．2 实验试剂及设备

4．2．1 主要化学试剂及材料

4．2．2 实验设备

4．3 实验方法与检测

4．3．1 超级电容器的组装

4．3．2 检测方法

4．4 结果与讨论

4．4．1 热解温度对超级电容器电化学性能的影响

4．4．2 不同电解液超级电容器电化学性能的影响

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢