生物质碳材料用于超级电容器的性能研究

摘要

随着新型经济的快速发展对能源的需求，与日益加剧的环境污染问题之间的矛盾，急切需求一种新型能量储存装置。超级电容器具有卓越的性能，包括高功率密度和出色的循环稳定性，此外，超级电容器具有高功率性能和低维护成本等优点而被提出作为未来的替代能量存储设备。超级电容器不仅充电速度更快，而且更可靠，因为它们不易受温度变化的影响。因而，超级电容器在科学研究价值和广泛的商业应用领域上引起了科学界的重大关注。　　本文主要研究了茶籽、坚果壳与黄豆渣三种不同生物质固体废弃物为碳源，通过不同温度下热解炭化、水热、浸渍与物理化学活化对生物质原材料进行综合处理。采用物理表征手段如SEM, TEM, XRD及 Raman 等对生物质碳材料的结构形貌进行探究分析；通过对生物质固有的形貌结构进行碳材料的改性处理，进而改善及研究碳材料应用于超级电容器的电化学性能。　　研究结果表明，茶籽壳为生物质碳源，通过KOH化学活化处理，获得了类石墨烯碳。所获得的碳具有独特的微观结构特征，具有高的比表面积和丰富的孔隙率。电化学性能显示出高比电容和容量保持率：在1 A g-1的电流密度下具有高的比容量329.1 F g-1，10000次循环后的电容保持率为97.3 %。以坚果壳为研究原材料，经过浸渍增孔以及化学活化处理的实验结果显示，所得坚果壳活性炭具有丰富的多孔结构，其微观形貌结构显示内部富含有更多的微孔和中孔在孔壁的四围，拥有1057 m2 g-1的高比表面积，多层孔隙结构十分丰富。并且在电流密度为1 A g-1时表现出优异的比容量325.7 F g-1。黄豆渣在炭化温度从500 ℃升高至1100 ℃，在高温下碳材料开始石墨化的现象逐渐加强，其中在1100 ℃环境下的碳石墨化程度相比于其他温度是最高的。经KOH处理并在900 ℃炭化后的豆渣基炭材料。在电流密度为1 A g-1，比电容为305.7 F g-1。在10000次循环后仍旧可高达98.6 %的电容保持率，显示出其卓越的循环稳定性。

目录

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 超级电容器概述

1.2.1超级电容器的组成与分类

1.2.2 超级电容器的工作原理

1.2.3超级电容器的性能测试参数

1.3 超级电容器电极材料的研究现状

1.3.1石墨烯

1.3.2活性炭

1.3.3碳纳米管

1.3.4金属氧化物

1.4 超级电容器的电解液

1.4.1水系电解液

1.4.2有机电解液

1.4.3离子液体

1.4.4聚合物电解液

1.5 本论文的研究目的、思路及内容

第二章 实验原料及研究方法

2.1 实验试剂及相关设备

2.2 材料的表征方式

2.2.1 X射线衍射（XRD）

2.2.2拉曼光谱（Raman）

2.2.3扫描电子显微（SEM）

2.2.4透射电子显微（TEM）

2.2.5物理吸脱附测试

2.2.6元素分析测试

2.3 超级电容器电极的制备及组装

2.3.1 超级电容器电极的制备

2.3.2 超级电容器组装

2.4 电化学性能测试

2.4.1恒电流充放电测试

2.4.2循环伏安测试

2.4.3电化学阻抗测试

第三章 茶籽基活性炭的制备及其超级电容器性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 茶籽生物质碳材料的物理表征

3.3.1 XRD测试

3.3.2拉曼光谱测试

3.3.3 N2物理吸脱附测试

3.3.4 XPS测试

3.3.5 SEM, TEM, HRTEM表征

3.4 茶籽基碳材料超级电容器的性能测试

3.4.1循环伏安测试

3.4.2 恒电流充放电测试

3.4.3超级电容器的倍率性能和循环性能

3.4.4电化学交流阻抗测试

3.5 能量功率密度测试

3.5.1 能量功率密度性能

3.5.2 发光二极管测试

3.6 本章小结

第四章 坚果壳基活性炭的制备及其超级电容器性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 坚果壳基活性炭物理表征结果分析

4.3.1 XRD测试

4.3.2 拉曼光谱测试

4.3.3 N2吸脱附测试

4.3.4 SEM与TEM表征

4.4 坚果壳基碳材料超级电容器的性能测试

4.4.1 循环伏安测试

4.4.2 恒电流充放电测试

4.4.3循环性能和倍率测试

4.4.4 交流阻抗测试

4.5 本章小结

第五章 豆渣基活性炭的制备及其超级电容器性能研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1不同热分解温度下制备豆渣基活性炭步骤

5.2.2用KOH进行活化处理步骤

5.3 豆渣基热解炭的物理性能表征

5.3.1 SEM表征

5.3.2 XRD分析

5.3.3 拉曼光谱分析

5.3.4 N2吸脱附测试

5.4 豆渣基热解炭的超级电容器电化学性能测试

5.4.1 循环伏安测试

5.4.2 恒电流充放电测试

5.4.3交流阻抗测试

5.5 豆渣化学活化处理结果分析

5.5.1 SEM表征

5.5.2 XRD分析

5.5.3 拉曼光谱分析

5.5.4 N2吸脱附测试

5.6 豆渣基热解炭的超级电容器电化学性能测试

5.6.1 循环伏安测试

5.6.2 恒电流充放电测试

5.6.3 循环性能和倍率性能测试

5.6.4 交流阻抗测试

5.7 本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢