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煤基活性炭电极材料的改性及电化学性能研究

马亚芬  
【摘要】:超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的新型储能元件,具有广阔的应用前景和巨大的经济价值。活性炭是制造超级电容器电极的首选材料,其结构及性质对超级电容器的性能起着关键性作用。但普通活性炭制备的超级电容器能量密度较低,为了改善活性炭性能,提高其作为电极材料的电化学性能,本文采用硝酸铜、硝酸锰和氨水对印尼褐煤制备的活性炭进行改性,采用SEM、XRD、FTIR、氮气吸附和元素分析等方法考察了改性前后活性炭的孔结构、表面性质、官能团等变化,并研究了各种活性炭作电极材料的电化学性能;对比研究了活性炭高压负氮与常压负氮的孔结构与电化学特性,褐煤前驱体改性制备活性炭与褐煤直接活化制备活性炭的孔结构与电化学特性。 研究结果表明,采用硝酸铜和硝酸锰改性可以在活性炭表面负载一定量的金属氧化物,改性后活性炭比表面积和总孔容稍有减小,中孔率增大,润湿性提高;改性活性炭作电极材料的电容器比电容提高,可由改性前的275F·g~(-1)提高至323F·g~(-1)和341F·g~(-1),交流阻抗等电化学特性也得到改善。 常压和高压条件下氨水改性活性炭研究表明,氨水改性可使活性炭表面负载一定量的含氮官能团,增大活性炭的比表面积,中孔率降低,但总体变化不大;与常压氨水负氮改性相比,高压氨水改性活性炭表面将负载更多的含氮官能团,用作电极材料时其电化学性能也更好,比电容可达348F·g~(-1),经过1000次循环后,高压改性活性炭电极在42.5mA的大电流下比电容保持率高达98.9%。 褐煤前驱体改性活性炭中N元素及含氮官能团较褐煤直接制备的活性炭高;比表面积和孔容积明显大于褐煤直接活化制备的活性炭,但二者中孔率基本相同;前驱体改性活性炭的电化学性能显著优于褐煤直接制备的活性炭,在3mol·L~(-1)KOH电解液体系,前驱体改性活性炭的比电容在50mA·g~(-1)电流密度下可高达371F·g~(-1),比褐煤直接制备的活性炭提高21%,循环伏安曲线出现明显的氧化还原峰,说明有赝电容产生。


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