自然界固态碳源高温衍生物的制备及其电化学行为研究

摘要

能量储存的快速发展突出了对多孔碳电极材料的制备及其电化学行为研究的关注。利用自然界中易得的固体碳源来制备多孔碳材料并将其用于电化学储能是重要的研究工作。本研究探讨了利用天然材料通过高温过程来制优异的多孔碳材料，并对其进行了电化学储能相关的性能测试。研究了生物质类碳源高温衍生多孔碳和石墨固态碳源制备石墨烯:　　(1)联合使用水热碳化和高温热解法利用猕猴桃天然结构衍生了三维叠片交联多孔碳气凝胶材料，将该材料用作超级电容器电极和锂离子电池负极，并研究了其电化学电容和储锂性能。其中在800℃获得的碳材料表现了最优的锂离子存储性能，其在100mA g-1的充放电速率下比容量高达504.8mAh g-1。同样800℃获得的碳材料表现了最优的电容性能，在0.5A g-1的电流密度下比电容值高达337.4F g-1。　　(2)以西红柿为原料，利用其细胞结构将化学活化剂均匀的引入到原料的各个组织结构中，再通过高温活化过程制备了分级多孔碳。该材料碳含量高达97.7％，电导率为195S m-1，比表面积为863.6m2g-1。同时该材料中有1.2％的天然氮掺杂量。将该材料作为超级电容器的电极表现了优异的电化学性能。在电流密度为0.5A g-1时，其比电容为347.4F g-1。进一步组装了柔性超级电容器，并通过弯曲、折叠、跌落、红外温度实验测试了设备的安全可靠性。　　(3)以植物中两种含量丰富的微纳单元（木质素和纤维素）为原料，通过自下而上的方法构筑了木质素气凝胶宏观体。在此基础上将其高温碳化为多孔碳材料，并用于超级电容器电极。材料表现了优异的电容性能，在1Ag-1时比电容值为221.9F g-1。　　(4)通过相对绿色的碱热法对天然石墨进行剥离，制备了少缺陷的少层石墨烯。通过从头算分子动力学模拟及电子显微镜等表征技术分析和阐述了碱热法对于石墨的剥离机理。进一步将获得的石墨烯制备成了微型超级电容和表皮传感器。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．1．1 电能及其储存

1．1．2 多孔碳材料及其电化学领域的应用

1．1．3 自然界中的固体碳源及其多孔碳材料的制备

1．2 选题目的、意义及研究内容

1．2．1 选题目的、意义

1．2．2 研究内容

2 猕猴桃衍生的三维叠片多孔碳气凝胶及其应用于电能储存

2．1 引言

2．2 实验方法

2．2．1 多孔碳气凝胶(CA)的制备

2．2．2 表征方法

2．2．3 LIB的电极制备及电化学性能测试

2．2．4 超级电容器的电化学性能

2．3 结果与讨论

2．3．2 CAA的表征

2．3．3 CAs的表征

2．3．4 锂离子电池(LIB)的电化学性质

2．3．5 超级电容器的电化学性能

2．4 本章小结

3 “腌制法”启发的西红柿衍生分级多孔碳应用于高性能和更安全的超级电容器

3．1 引言

3．2 实验方法

3．2．1 分级多孔碳材料的合成

3．2．2 表征

3．2．3 电化学性能

3．3 结果与分析

3．4 本章小结

4 制备木质素气凝胶及其高温衍生多孔碳用于超级电容器

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 实验材料

4．2．2 纤维素作为粘结剂的木质素气凝胶的制备

4．2．3 木质素气凝胶衍生多孔碳材料的制备

4．2．4 表征

4．2．5 电化学性能测试

4．3 结果与分析

4．3．1 木质素气凝胶的形成及表征性能分析

4．3．2 木质素气凝胶高温碳化物的制备及其表征、电化学性能分析

4．4 本章小结

5 KOH热剥离石墨生产石墨烯及其应用于微电子设备

5．1 引言

5．2 实验方法

5．2．1 石墨烯的合成

5．2．2 微型超级电容器的制造

5．2．3 从头算分子动力学(AIMD)模拟方法

5．2．4 表征

5．3 结果与分析

5．4 本章小结

6 结论

6．1 天然生物质固体碳源的不同高温过程制备多孔碳材料

6．2 生物质微纳单元构筑宏观固体及其高温衍生多孔碳

6．3 天然碳单质高温衍生优异多孔碳材料

参考文献

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致谢