【摘要】：超級(jí)電容器由于其高功率密度,高循環(huán)充電和放電壽命,寬溫度范圍和超高比電容而成為世界研究的熱點(diǎn)。而超級(jí)電容器電極材料是限制其大規(guī)模應(yīng)用的重要樞紐。生物質(zhì)基多孔碳材料是近幾十年發(fā)展起來的環(huán)保功能材料,由于其低成本,高比表面積,低密度和綠色環(huán)保被廣泛用于超級(jí)電容器中。多孔碳的合成通常通過活化法或模板法進(jìn)行。通過模板法合成的多孔碳通常比表面積不高,孔結(jié)構(gòu)分布不合理,高成本,低產(chǎn)率,并且孔通常是介孔;通過活化方法形成的多孔碳通常具有相對(duì)高的比表面積并含有許多微孔。然而,缺少中孔限制了其電化學(xué)性能的提升�？紤]到上述因素,本文提出了一種新的一步活化-模板法,以合成含有大量微孔和介孔的分級(jí)多孔納米片結(jié)構(gòu)的碳材料。并深入研究了分層多孔碳的形成機(jī)理和電化學(xué)性質(zhì),以及其超級(jí)電容器應(yīng)用的驗(yàn)證。本論文的主要研究?jī)?nèi)容包括如下幾個(gè)方面:1、以榆錢粉為碳源,高錳酸鉀提供K_2CO_3和MnO等作為活化劑和模板,采用一步活化-模板法合成多孔碳材料。對(duì)所得材料進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)其為多孔納米片狀形態(tài),具有分級(jí)的孔徑分布。在HPCN-6樣品上獲得了2088 m~2g~(-1)的最大比表面積和~2.7 nm的平均孔徑。值得注意的是,HPCN-6碳納米片的2.8%氮摻雜和8.1%氧摻雜可以提供贗電容并增強(qiáng)親水潤(rùn)濕性,從而顯著地有助于提高總電容,為其優(yōu)異的電化學(xué)性能奠定基礎(chǔ)。2、對(duì)碳納米片組裝超級(jí)電容器電極,其電化學(xué)性能在三電極系統(tǒng)中表征。研究了樣品合成參數(shù)(例如前驅(qū)體配比和加熱溫度)對(duì)電極電化學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)HPCN-6樣品電極在KOH電解液中在1 A g~(-1)的電流密度下可達(dá)到548.6 F g~(-1)的高電容值,其電極電阻也小于1Ω。3、研究了分級(jí)多孔碳片的超級(jí)電容器應(yīng)用。首先進(jìn)行使用KOH電解液進(jìn)行碳片基電極的電化學(xué)測(cè)試。該電極在1 A g~(-1)下達(dá)到324 F g~(-1),且在10 000個(gè)充放電循環(huán)后仍然能保持100%以上的性能。然后在1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸離子液體條件下探索電極的電化學(xué)特性,在4 V的高電壓區(qū)間內(nèi)可以得到230F g~(-1)的高電容,所獲得電極的最大能量密度在991 W kg~(-1)功率密度條件下能量密度最高可達(dá)125.5 Wh kg~(-1),是目前生物質(zhì)基碳材料得到的最高能量密度之一。最后,組裝了基于多孔碳納米片的超級(jí)電容器裝置,成功實(shí)現(xiàn)了電風(fēng)扇的運(yùn)行。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM53;TQ127.11
【圖文】：

圖 1-1 雙電層超級(jí)電容器 a) 原理圖 b) 結(jié)構(gòu)圖[14]級(jí)電容器電極由集流體、粘結(jié)劑以及電極材料構(gòu)成。電極材料主度主要分為四大類：碳材料、各種導(dǎo)電的聚合物連同其復(fù)合材 Ni 的化合物為代表的金屬氧/硫化物材料、水合金屬化合物及復(fù)而碳材料憑借出道早，研究較透徹，還有充放電循環(huán)周期長(zhǎng)，能大等向來就是最慣用的超電電極材料。況且已經(jīng)有很多廠家已經(jīng)用的碳基超級(jí)電容器。碳基材料中，最常見的有活性炭（An, AC）、碳納米管（Carbon Nanotubes, CNTs）、石墨烯（Graphen墨烯、碳纖維（Carbon Fiber，CF）等[17]。常見的石墨烯和碳管物理特性，還有其特殊的一維和二維結(jié)構(gòu)，作為電極材料性能優(yōu)但是其材料很難輕易找到，良好性能的材料合成方法異常繁瑣，限制了大規(guī)模商業(yè)超級(jí)電容器的應(yīng)用[18]。碳纖維是工業(yè)化產(chǎn)物有機(jī)物瀝青等經(jīng)過多個(gè)工藝制備而來，導(dǎo)電性高，結(jié)構(gòu)也很好，流程復(fù)雜還有昂貴只能用于各種衣物外殼而不適合用于電容器；

一種由互相關(guān)聯(lián)或單獨(dú)的孔隙組成的網(wǎng)格狀分成微孔（孔徑在 2 nm 以下）、介孔（孔 nm 以上）材料[22]。根據(jù)研究表明，具有一電容器的電容性能。根據(jù)這個(gè)結(jié)論，下圖 1-圖[15]，我們可以從圖可以明顯看出這種材料介孔，隨機(jī)散布在表面還有內(nèi)部。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位論文以這么受歡迎具有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，首要原因小尺度下有一定結(jié)晶性。合成材料的碳前驅(qū)物備過程較為簡(jiǎn)單，花費(fèi)時(shí)間和金錢都相對(duì)少，普凈化等領(lǐng)域。碳材料普遍都是對(duì)人畜無毒無害好，導(dǎo)熱導(dǎo)電性強(qiáng)，密度較小，抗壓性強(qiáng)等益多孔碳在各種溶液或是離子液體中結(jié)構(gòu)都非擁有一般碳材料的優(yōu)點(diǎn)特性，而且，其獨(dú)特的，孔數(shù)和孔徑更輕松可以控制和調(diào)節(jié)。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 徐曼曼;生物質(zhì)基多孔材料與其在超級(jí)電容器中的應(yīng)用研究[D];華南理工大學(xué);2017年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

1 于登峰;三維多孔碳納米片的硬模板法制備及超級(jí)電容器應(yīng)用[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

2 安玉峰;生物質(zhì)派生多級(jí)孔碳納米片與高性能超級(jí)電容器的組裝[D];西北師范大學(xué);2017年

3 張小燕;超級(jí)電容器電極材料二氧化錳的合成優(yōu)化和性能的研究[D];太原理工大學(xué);2015年

本文編號(hào)：2775646