本文關(guān)鍵詞：基于生物質(zhì)制備功能性碳納米材料及其電化學(xué)電容性能研究

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【摘要】：超級(jí)電容器是一種重要的儲(chǔ)能裝置,其電極材料的電化學(xué)性能很大程度上決定了超級(jí)電容器的容量。而生物質(zhì)是重要的可再生能源之一,利用可再生能源取代部分化石能源可以一定程度上緩解環(huán)境惡化和氣候變暖。我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)生物質(zhì)的利用率還不是很高,很多生物質(zhì)如：秸稈、玉米桿和玉米芯都被焚燒或廢棄,造成資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染。盡管不同生物質(zhì)的成分有所差異,但其基本元素大同小異,例如植物生物質(zhì)主要含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、植物蛋白和植物脂肪等成分,基本都由碳、氫、氧、氮、硫這幾種元素構(gòu)成,且碳元素占主要成分。因此,利用生物質(zhì)制備高性?xún)r(jià)比的活性碳材料應(yīng)用于超級(jí)電容器電極材料既可提高可再生能源的利用率,又有望于解決儲(chǔ)能技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。本論文采用廢棄的生物質(zhì)去粒玉米芯,制備了高比容量且性能穩(wěn)定的超級(jí)電容器電極材料,該材料在大功率超級(jí)電容器儲(chǔ)能裝置方面具有良好的應(yīng)用前景。經(jīng)表征,該材料是一種具有三維多孔結(jié)構(gòu),且均勻負(fù)載過(guò)渡金屬氧化物納米顆粒的氮摻雜碳納米復(fù)合材料,其中孔網(wǎng)結(jié)構(gòu)的碳納米材料提供了巨大的比表面積和良好的導(dǎo)電性,而摻雜的氮原子很好地改善了材料的電荷分布并提高電子轉(zhuǎn)移速率,同時(shí)過(guò)渡金屬氧化物的贗電容可進(jìn)一步提高材料的電容值。論文取得了以下幾個(gè)方面的研究結(jié)果：(1)利用一步煅燒法直接制備了玉米芯活性碳納米材料。通過(guò)對(duì)升溫程序的調(diào)控,確定了最佳升溫速率、煅燒溫度和保溫時(shí)間。對(duì)最優(yōu)條件下制備的樣品進(jìn)行氮?dú)馕摳胶涂讖椒植紲y(cè)試,結(jié)果表明其Brunauer-Emmett-Teller (BET)比表面積高達(dá)1055 m2 g-1,且孔徑均勻分布在4-5 nm。同時(shí)利用掃描電子顯微鏡(SEM)和X-射線(xiàn)衍射(XRD)表征其形貌和組成成分,發(fā)現(xiàn)該納米材料為三維多孔結(jié)構(gòu)并均勻負(fù)載著Fe203納米粒子。在6 M KOH溶液中,利用電化學(xué)工作站通過(guò)循環(huán)伏安法和恒電流充放電法測(cè)試其電化學(xué)電容性能,在1 A g-1的電流密度下其電容值達(dá)345 F g-1。(2)利用三聚氰胺作為氮源前驅(qū)體,將玉米芯粉末與其充分混合再一起煅燒,制備了摻氮功能化碳納米材料。經(jīng)對(duì)煅燒溫度、煅燒時(shí)間和三聚氰胺比例調(diào)控,確定了最優(yōu)條件。對(duì)最優(yōu)條件下制備的樣品進(jìn)行氮?dú)馕摳胶涂讖椒植紲y(cè)試,結(jié)果表明其BET比表面積達(dá)到了1100 m2 g-1,孔徑分布在40-50 nm之間。利用XRD、X射線(xiàn)光電子光譜分析法(XPS)、SEM、超高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)和mapping表征其形貌及組成,結(jié)果表明摻氮后的碳納米材料在孔網(wǎng)結(jié)構(gòu)的介孔碳表面生長(zhǎng)了許多的薄壁碳納米管,且納米管的端口附著球形顆粒。其主要成分為C、N、O和Fe,還有微量的S元素。納米管形成區(qū)域由氮和氧兩種元素組成,端口處球形顆粒為Fe2O3納米粒子。同樣在6 MKOH溶液中測(cè)試了其電化學(xué)性能,結(jié)果表明其電容值高達(dá)579 F g-1。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TK6;TM53
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本文編號(hào)：1200740