石油焦基活性炭的制备及其电化学性能的研究

摘要

超级电容器是一种新型的电化学能量存储装置，具有高功率密度、高能量密度、循环寿命长和无污染等优点，在众多的研究领域获得了较为广泛的应用。然而随着现代科学技术的飞速发展，对电极材料提出越来越高的要求，特别是材料的高稳定性、长寿命、储能密度大等已成为超级电容器技术发展的重要标志。本论文从石油焦出发，先经过预氧化处理，然后采用真空浸渍法将催化剂浸渍到石油焦上，采用水蒸气活化法制备了超级电容器的电极材料，并比较了他们的结构以及电化学性能。结果表明：
　　 1、石油焦原料结构对预氧化及活化性能有显著影响。以细镶嵌型光学结构为主、晶化程度较低、挥发份含量高的石油焦具有较高的反应活性，制备的活性炭更易于形成发达的孔隙。
　　 2、石油焦预氧化处理可以形成一定的初级孔道，为之后的催化剂浸渍和活化提供了良好的基础。经过预氧化处理制得的活性碳的比表面积达到299.7m2/g，比未处理样品提高了近4倍；比电容达到80F/g，提高了2倍。石油焦的预氧化程度受到反应温度、时间、粒度等因素的影响，其中温度影响最大。
　　 3、在相同的活化条件下，不同催化剂对活性炭的孔结构及其电化学性能有所影响，催化效果从大到小依次为氯氧化锆〉乙酰丙酮锆〉硝酸氧锆〉氯化亚铁
　　 4、氯氧化锆对石油焦有明显的催化活化效果，添加催化剂的样品在活化后比表面和比电容均有显著提高，比电容最高可达105.1F/g，比未添加催化剂的样品提高近30％。添加不同比例的催化剂时，石油焦的比表面积和比电容均呈现上升后下降的趋势，在添加比例达到2％时，比表面积和比电容达到最大值。添加催化剂的样品在充放电过程中锆没有发生氧化还原反应，电极表现出良好的电容行为。
　　 5、活化条件的改变对活化反应程度有较大影响。活化温度的提高和时间的延长使得活化反应程度加深，烧蚀率提高。同时，相对于活化时间的延长，活化温度提高的影响更加显著。

目录

文摘

英文文摘

学位论文数据集

第一章 文献综述

1.1 前言

1.2 超级电容器的分类

1.2.1 超级电容器的工作原理

1.2.2 双电层电容器

1.2.3 法拉利准电容器

1.2.4 混合类型超级电容器

1.3 电化学电容器电极材料的研究

1.3.1 碳电极材料

1.3.2 金属氧化物材料

1.3.3 导电聚合物材料

1.4 活性炭的制备

1.4.1 活性炭的制备原料

1.4.2 活性炭制备方法

1.5 应用及前景

1.6 课题意义及创新

第二章 实验部分

2.1 试验原料

2.1.1 化学试剂

2.1.2 超级电容器制造材料

2.2 活性炭制备及其测试方法

2.2.1 活性炭的制备

2.2.2 实验装置

2.2.3 电极制备

2.2.4 电化学电容器组装

2.2.5 仪器分析测试方法其条件

2.2.6 电化学性能测试

第三章 石油焦的结构分析以及与氧化试验

3.1 不同产地石油焦预氧化试验

3.1.1 原料的光学显微结构与XRD分析

3.1.2 原料结构对预氧化和活化性能的影响

3.2 锦西石油焦的正交设计试验

3.3 本章小结

第四章 预氧化法制备石油焦基活性炭

4.1 活性炭材料的制备

4.2 预氧化对石油焦活化的影响

4.2.1 预氧化对活性炭孔结构的影响

4.2.2 预氧化对活性炭比电容的影响

4.3 不同活化条件对活性炭性能的影响

4.3.1 不同活化条件对活性炭孔结构的影响

4.3.2 不同活化条件对比表面的影响

4.3.3 不同活化条件对比电容的影响

4.3.4 样品的循环伏安测试

4.3.5 样品的交流阻抗测试

4.4 本章小结

第五章 锆催化制备石油焦基活性炭

5.1 石油焦基活性炭的制备

5.2 催化剂用量对石油焦性能的影响

5.2.1 催化剂用量对活性炭表面积的影响

5.2.2 催化剂用量对石油焦基活性炭孔结构的影响

5.2.3 锆催化活化机理

5.2.4 催化剂用量对活性炭电化学性能的影响

5.3 不同活化条件对活性炭结构及其电化学性能的影响

5.3.1 石油焦基活性炭的制备

5.3.2 不同活化条件对活性炭比表面积的影响

5.3.3 不同活化条件对活性炭孔结构的影响

5.3.4 不同活化条件对活性炭比电容的影响

5.3.5 循环伏安和交流阻抗分析

5.4 酸处理对活化的影响

5.4.1 酸处理对活性炭孔结构的影响

5.4.2 酸化处理对活性炭电化学性能的影响

5.5 本章小结

第六章 不同催化剂对活性炭性能的影响

6.1 活性炭材料的制备

6.2 不同催化剂对活性炭烧蚀率的影响

6.3 不同催化剂对活性炭孔结构的影响

6.4 不同催化剂对活性炭比电容的影响

6.5 本章小结

第七章 总结论

参考文献

致谢

研究生期间发表论文

北京化工大学 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书