【摘要】：維生素C工業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量廢糖液(主要成分為2-酮基-L-古龍酸),其作為一種強(qiáng)酸性的有機(jī)廢棄物難以被有效處理和直接利用。由于2-酮基-L-古龍酸的分子結(jié)構(gòu)類似于葡萄糖,能夠通過簡易的水熱碳化和化學(xué)活化制得多孔炭球。此外,雙電層電容器作為極具發(fā)展?jié)摿π滦蛢δ苎b置,具有充放電速度快、功率密度高、循環(huán)壽命長和綠色環(huán)保等優(yōu)點。多孔炭材料因其比表面積高、孔隙發(fā)達(dá)和性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點,成為一種較為理想的雙電層電容器電極材料,而多孔炭球不僅具有以上優(yōu)點,同時兼?zhèn)淝蛐屯饷埠蜋C(jī)械強(qiáng)度高等特點,電化學(xué)性能較為理想。另外,炭微球經(jīng)過氧化預(yù)處理,能夠有效降低活化難度和增加含氧量,而提高制得的多孔炭球的比表面積和潤濕性,進(jìn)而改善雙電層電化學(xué)性能。本論文利用廢糖液為前驅(qū)體制備了顆粒狀多孔炭和多孔炭微球,用作雙電層電容器炭基電極材料,并深入探究了炭微球的高溫氧化改性對其活化難度和制備的多孔炭球的電化學(xué)性能的影響。主要內(nèi)容包括以下三個部分:第一部分,制備多孔炭。首先將廢糖液通過鼓風(fēng)干燥制得廢糖渣,再通過傳統(tǒng)的炭化/活化兩步法制備不規(guī)則顆粒狀多孔炭,,詳細(xì)地討論了炭化溫度、活化溫度、活化時間和活化比例(KOH的質(zhì)量/焦的質(zhì)量)對多孔炭的孔隙結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響。制得的多孔炭均具有良好的電化學(xué)性能,尤其是當(dāng)炭化溫度為600 ~oC,活化溫度為700 ~oC,活化比例為3/1和活化時間為2.5 h時制備的多孔炭具有較好的電化學(xué)性能,其比電容可達(dá)273.3 F/g(40 mA/g),且比表面積最大(1953 m~2/g)。為了確定多孔炭電極的電化學(xué)穩(wěn)定性,在電流密度為1.5 A/g的條件下循環(huán)了5000次,其電容保持率為90.1%,能量密度為5.09 Wh/kg。第二部分,制備多孔炭球。廢糖液通過抽濾預(yù)處理,除去不可溶的雜質(zhì),提高炭球的收率,并采用水熱碳化和KOH活化,成功制備了多孔炭球。另外,本文推測了廢糖液制備炭球的可能的成球機(jī)理,也研究了水熱條件和活化條件對多孔炭球電化學(xué)性能的影響。當(dāng)水熱條件為水熱碳化溫度為180 ~oC,水熱碳化時間為12 h和水熱比例為2:3(廢糖液體積/去離子水體積)時,在固定活化條件下,制備的多孔炭球具有較高的比電容值。當(dāng)活化溫度和活化比例改變時,多孔炭球的比電容值最高可達(dá)296.1 F/g(40 mA/g)。同時,在電流密度為1.5 A/g下循環(huán)5000次后,呈現(xiàn)了良好的循環(huán)性能和容量保持率(89.6%)。第三部分,對炭球高溫氧化再活化,制備多孔炭球。利用水熱碳化、炭化和KOH活化制備多孔炭球。在炭化之前,使用不同質(zhì)量的Fe(NO_3)_3?9H_2O與定量的炭球均勻混合。制備的多孔炭球具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和高比表面積(2478m~2/g)。同時,多孔炭球的孔結(jié)構(gòu)可以通過控制炭化條件進(jìn)行調(diào)整(包括炭化溫度和Fe(NO_3)_3?9H_2O的負(fù)載量)。相較于直接炭化,Fe(NO_3)_3?9H_2O作為氧化劑的加入明顯增大了多孔炭球的比表面積和比電容。另外,在電流密度為2 A/g的條件下,循環(huán)8000次后,多孔炭球的比電容值幾乎沒有衰減。綜上所述,本研究探究了制備條件對多孔炭材料的孔隙結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響,為廢糖液制備高品質(zhì)炭電極材料工藝的開發(fā)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。
【圖文】：

碩士學(xué)位論文型認(rèn)為溶液中的反離子并非平行地被束縛在與質(zhì)點表面相鄰的液相中，，而是擴(kuò)散分布在質(zhì)點周圍的空間內(nèi)，其濃度隨著與質(zhì)點間距離的增大而減小。Stern 結(jié)合Helmholtz 模型和 Gouy-Chapman 模型提出了 Stern 模型[12]，指出在電極和電解液界面存在兩層，內(nèi)層是緊密層（Stern 層），電勢變化與 Helmholtz 模型類似；外層為擴(kuò)散層，結(jié)構(gòu)類似 Gouy-Chapman 模型中的擴(kuò)散層。在緊密層中，溶劑化離子強(qiáng)烈地吸附在電極表面，而擴(kuò)散層中的離子具有連續(xù)的分布。因此電極和電解液形成的界面電容包括兩部分，即緊密層雙電層電容和擴(kuò)散層電容。三種雙電層結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示。

圖 1-3 炭材料表面含氧官能團(tuán)的可能結(jié)構(gòu)Figure 1-3 Possible structure of surface oxygenous functions on carbon1.4 炭微球簡介（Introduction of Carbon Sphere）炭微球作為一種重要的炭材料，由于具有優(yōu)異的耐熱性、耐腐蝕性、可調(diào)控的表面積、較高的堆積密度和較高的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)點，引起了相關(guān)研究人員的廣泛關(guān)注，其在納米器件、能量存儲、分離或作為潤滑材料等方面都有巨大的應(yīng)用前景[43]。炭微球可以由多種前驅(qū)體制得，如中間相瀝青、生物質(zhì)和聚合物等，且通常炭微球的制備流程中都包含成球的程序。炭微球可以分為實心炭球[44]、中空炭球[45]和核殼結(jié)構(gòu)炭球[46]（如圖 1-4）。a b c
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.11;TB383.4;TM53

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2670874