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《兰州理工大学》 2019年
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基于膨胀反应的多孔炭材料的制备及其电化学性能研究

薛杰琛  
【摘要】:近年来,随着世界人口数量的不断增加,人均经济生活水平得到不断提高,地球上可利用的能源却日益减少,环境也逐渐恶化,这种种现象引起了人们广泛的担忧,因此寻找一种绿色、可持续、高效、快速的储能元件已成为人类生存发展的重中之重。超级电容器作为一种新型储能器件,具有能量密度高、绿色环保、工作温度范围广、使用寿命长、可实现瞬时大电流放电等优点,因此引起了越来越多人的关注。作为超级电容器的重要组成部分,电极材料在很大程度上决定了超级电容器的电化学性能,因此我们必须找到具有高电容的新型良好电极材料。其中,炭材料由于具有比表面积较高、导电性良好、制备工艺简单、微观结构可调节、形式多样、化学稳定性好等优点,被广泛用于高性能电极材料的制备。本论文以经典化学实验“法老之蛇”为灵感,采用过期蔗糖粉为炭源,经过浓硫酸脱水膨胀,制备多孔炭材料;并研究向其中加入细菌纤维素作为混合炭源来制备复合多孔炭材料;以及通过蔗糖粉燃烧膨胀的方法制备多孔炭材料。通过SEM、TEM、XRD、XPS、BET、Raman和电化学测试等相关技术对制备得到的炭材料的微观结构、性质以及电化学性能进行分析研究,主要有以下三方面研究内容:(1)以过期蔗糖粉为炭源,通过蔗糖粉与浓硫酸反应获得疏松多孔的前驱体。采用KOH作为活化剂,氩气作为保护气体,高温条件下进行热解活化,制备得到疏松多孔的炭材料。所制备的多孔炭材料具有丰富的孔状结构以及较高的比表面积(1698 m~2 g~(-1))。经电化学测试表明,经过800°C高温热解活化得到的炭材料在6 M的KOH电解液中,1 A g~(-1)电流密度下,比电容高达270 F g~(-1),并表现出极佳的循环稳定性。与未经过膨胀反应步骤制得的材料相比,经过膨胀反应步骤制得的材料具有更大比表面积以及更优异的电化学性能。这进一步说明利用此方法制备多孔炭材料是成功的。(2)将经过浓硫酸预处理制得的疏松炭材料(HZTC)与具有三维网络空间结构的生物质细菌纤维素(BC)混合作为炭源,KOH作为活化剂,氩气为保护气体的条件下,经高温热解活化,成功制备出高比表面积的三维网状多孔炭材料XHZTC-800-n。结果表明,样品具有无定型结构,且呈现出互通交错的三维网络空间结构,经BET测试结果表明,该材料的比表面积最大可达1910 m~2 g~(-1),并且主要为微介孔结构,这将有利于电解质离子快速迁移以及双电层电容的形成,对电化学性能的提升提供非常有效的帮助。循环伏安法测试以及恒电流充放电测试表明该材料循环可逆性良好,有着较好的充放电效率,呈现出良好的双电层电容行为。在6 M的KOH电解液环境中,1 A g~(-1)的电流密度下,XHZTC-800-2有高达309 F g~(-1)的比电容,经过5000次充放电循环后,其电容保持率高达96%。(3)以过期蔗糖粉为炭源,NaHCO_3为化学发泡剂,将其混合点燃,利用碳酸氢钠受热分解产生大量二氧化碳气体的特点,可以使蔗糖粉在二氧化碳气体的作用下,转变成具有疏松骨架的“蛇状”多孔炭前驱体,将氩气作为保护气体,KOH作为活化剂,在高温条件下热解活化成功制得多孔炭材料BZTC-T。制备得到的多孔炭材料为无定型炭,具有较大的比表面积以及合理的孔径分布,当高温热解活化温度为800°C时,比表面积高达3540 m~2 g~(-1)。循环伏安法测试以及恒电流充放电测试结果表明材料循环可逆性良好,有着较好的充放电效率,呈现出良好的双电层电容行为,通过温度梯度实验对比发现,BZTC-800具有最佳的电化学性能,在6 M的KOH电解液中,1 A g~(-1)的电流密度下具有高达289 F g~(-1)的比电容,在经过5000次充放电循环后,其电容保持率高达95.8%,因此表明该材料具有良好的循环稳定性。与将普通蔗糖粉直接作为炭源经高温热解活化法制备得到的多孔炭材料相比,增加了“燃糖”步骤制备的多孔炭材料,在比表面积和电化学性能方面展现出更加优异的特性。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TM53;O613.71

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