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生物硬炭为原料制备三维多孔类石墨烯及其在超级电容器中的应用

夏靳松  
【摘要】:生物质是自然界中大量存在的一种可再生资源,常被用作制备碳材料。生物质炭化得到的硬炭,由无序排列的石墨微晶及其之间存在的无定形碳交联而构成。这种受限制的、无序的结构使得生物炭的应用非常受限。而石墨烯具有完整的碳六元环二维晶格,从而拥有高比表面积和高导电性,应用领域广泛。如果将硬炭结构转化为石墨烯,将具有重要意义和应用前景。本文以生物质为原料,采用低温石墨化法制备三维多孔类石墨烯(3DPGL)。在氮气气氛下,将生物质在400 ℃热解3 h得到生物硬碳,再将生物炭与碳酸钾混合,研磨5 min后移至管式炉中,氮气保护下在900 ℃反应2 h,自然冷却后,用去离子水及稀盐酸洗净烘干。所制备的3DPGL由类石墨烯片层相互交联而成,形成三维结构。得到的3DPGL具有高比表面积(1506.09 m2 g-1)和高电导率(32.14 S cm-1)。为表征3DPGL的电化学性能,采用1 M的四乙基四氟硼酸铵/碳酸丙烯脂为电解液,组装成二电极对称型超级电容器。电化学测试结果显示3DPGL具有良好的双电层电化学行为。在电流密度为0.2 Ag-1,比电容为91.15 Fg-1;在1Ag-1电流密度下,循环5000次后容量保持85.1%,表现出良好的电容性能。本文还对低温石墨化反应进行了深入的探索及推广,通过单因素实验改变制备工艺中的炭化温度得到不同的炭化料产物,检测了不同炭化温度下生物炭以及低温石墨化后产品的结构与性质。结果表明在400~900 ℃温度范围内随着炭化温度的提高,低温石墨化后的样品均有良好的三维类石墨烯形貌,但是样品的孔体积和比表面积随着炭化温度的提升不断减小,并且不同炭化温度下的炭化料结构之间也有相应的差异。此外,研究发现低温石墨化反应也适用于其它生物质材料以及碳酸钠反应剂,证明了该制备方法具有普适性。


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