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《新疆大学》 2019年
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石油沥青基多孔炭的制备及其电容性能研究

王鹏真  
【摘要】:社会的发展和科技的进步使得能源的消耗日益增长,煤、石油、天然气的不断开采,导致化石能源的日益短缺和环境污染的日趋严重。风能、太阳能等绿色清洁可再生能源越来越受到人们的重视,为充分利用这些可再生能源,研发高性能的能量储存器件迫在眉睫。超级电容器作为新一代能源存储元件,因其寿命长、安全性高、使用温度宽和绿色环保等优点而受到人们的广泛关注。炭材料在能源储存与转化过程中扮演着重要角色,开发新型炭材料,寻找廉价的碳源具有重大的现实意义。多孔炭材料因其比表面积大、制备工艺简单、化学稳定性高和环境友好性等优点而被广泛应用于超级电容器的电极材料。石油裂解副产物石油沥青含碳量高、价格低廉是制备多孔炭材料最具潜力的原料。本文以石油沥青为原料,通过液相氧化法、模板法和化学活化法制备多孔炭材料,并将其作为超级电容器的电极材料,探究了制备多孔炭材料的形貌、结构和组成对其电化学性能的影响。(1)通过对石油沥青进行液相氧化得到水性中间相沥青,以水性中间相沥青为碳源,以硝酸锌为模板剂、致孔剂和氮源制备出氮氧共掺杂分级多孔炭材料。系统探究了模板剂用量和炭化温度对材料电化学的影响。样品HPC_(1:4)具有较高的氮(7.13%)和氧(6.48%)含量,在1 A g~(-1)和50 A g~(-1)的电流密度下比电容可达235.5 F g~(-1)和138 F g~(-1),即使在10 A g~(-1)的电流密度下循环10000次后,容量并没有明显衰减,表现出优异的循环稳定性。(2)以水性中间相沥青为前驱体,硝酸铜为模板,采用简单的一步炭化法制备介孔炭材料。样品MC_(1:4)的比表面积和总孔体积可达443.9 m~2 g~(-1)和1.176 cm~3g~(-1),其氮和氧含量分别为6.18%和12.90%。在1 A g~(-1)的电流密度下,MC_(1:4)的比电容高达257.5 F g~(-1),即使在100 A g~(-1)电流密度下,其比电容仍可达到125 F g~(-1)。(3)以水性中间相沥青为原料,KOH为活化剂,通过化学氧化和原位活化制备出三维互通的多孔炭材料。样品UMPC_1的比表面积达到1520 m~2 g~(-1),微孔体积和介孔体积分别为0.604 cm~3 g~(-1)和0.127 cm~3 g~(-1)。在0.5 A g~(-1)和1 A g~(-1)的电流密度下,UMPC_1的比电容为421 F g~(-1)和383 F g~(-1),即使在100 A g~(-1)的大电流密度下,UMPC_1的比电容仍可达到230 F g~(-1)。与传统制备多孔炭的方法相比,本方法KOH用量大幅度减少,而且样品UMPC_1具有较好的比电容和极佳的倍率性能,有望成为最具发展前景的超级电容器电极材料。
【学位授予单位】:新疆大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TM53;TQ127.11

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