雜原子摻雜生物質(zhì)多孔碳的制備及在超級(jí)電容器中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2021-09-18 17:34
超級(jí)電容器的性能主要由電極決定,多孔碳材料因其高的比表面積以及發(fā)達(dá)的孔隙成為了理想的電極材料候選。多孔碳可由自然界廣泛存在的生物質(zhì)經(jīng)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化以及后續(xù)活化過程獲取。雖然這一制備路線簡易經(jīng)濟(jì)且日臻成熟,現(xiàn)階段其仍存在能量密度不足的瓶頸。而硼、磷、氮、氧等雜原子摻雜已被證明為一種提升多孔碳電化學(xué)性能的有效方式,據(jù)此,本文選取了不同生物質(zhì)并分別通過摻雜劑以及自摻雜的方法在活化過程中對其引入雜原子,從而制備了擁有高能量密度及倍率性能,能穩(wěn)定循環(huán)的多孔碳電極材料,并對它們的電容行為進(jìn)行了詳細(xì)考察:（1）選取了具有一維性質(zhì)的生物質(zhì)苧麻纖維為前驅(qū)體,氯化鋅為活化劑,硼酸與尿素分別作為硼源與氮源,采用一步法直接制備了硼氮共摻雜多孔碳材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明相較于單元素?fù)诫s,共摻雜的手段明顯地改善了硼的摻雜情況,從而改善了碳材料的導(dǎo)電性與潤濕性,使得衍生電極在比表面積并不突出(600900 m2g-1)的情況下依然能擁有高的比電容以及良好的雙電容特性,在三電極系統(tǒng)下,6 M KOH電解液中比電容達(dá)到279 F g-1。而在...
【文章來源】：中北大學(xué)山西省
【文章頁數(shù)】：74 頁
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
圖1.1雙電層電容器示意圖
中北大學(xué)論文3釋放出來。這種法拉第類型的電荷存儲(chǔ)現(xiàn)象被稱為贗電容，從而產(chǎn)生了另一類超級(jí)電容器——贗電容電容器（Pseudocapacitors）。在機(jī)理上它與電池十分類似，不同的是，贗電容儲(chǔ)電的機(jī)理與EDLCs一樣都屬于表面現(xiàn)象，它們對表面積的依賴關(guān)系是一致的。而其根本機(jī)理與EDLC還是有很大的不同，由于EDLC遵循的是純靜電現(xiàn)象，其電荷存儲(chǔ)完全可逆，而在贗電容則不是所有存儲(chǔ)的電荷都能在放電過程中被釋放。即使是最佳可逆組合下的電極材料與電解質(zhì)，化學(xué)反應(yīng)也不可能達(dá)到100%的可逆。這是有源材料不可避免的損耗，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，最大比電容將減小，影響贗電容的循環(huán)穩(wěn)定性。但贗電容材料包括金屬氧化物/氫氧化物以及導(dǎo)電聚合物一般來說在容量上的表現(xiàn)都要明顯優(yōu)于雙電層電容。以上即為超級(jí)電容器的兩種基本儲(chǔ)能原理。為了解決相對低能量密度的挑戰(zhàn)，此領(lǐng)域的一種方法是發(fā)展非對稱超級(jí)電容器。如水系對稱系統(tǒng)的電壓一般被限制在約1.2V，而非對稱超級(jí)電容器可以充分地利用正負(fù)極兩個(gè)不同的電位窗口，總體將其擴(kuò)展到2.0V以上，則正比于電位窗口的平方的能量密度得到提升。一般來說非對稱超級(jí)電容器可分為兩類，第一種為帶有兩個(gè)不同的電容型電極的系統(tǒng)，第二種被稱為混合電容器，即一個(gè)電極基于電容機(jī)制儲(chǔ)存電荷而另一個(gè)通過電池類型的法拉第法儲(chǔ)存電荷的裝置。電容式非對稱超級(jí)電容器充放電特性與對稱型的類似而混合型超級(jí)電容器與理想的電容性特征有明顯的偏差。而相同的是，二者均利用負(fù)極加速電荷輸運(yùn)而利用正極提高整體儲(chǔ)電容量。非對稱超級(jí)電容器這種配置已成為最近研究的熱點(diǎn)，并很有可能商業(yè)化發(fā)展。綜上，超級(jí)電容器的分類歸納于圖1.2中。圖1.2超級(jí)電容器的分類Fig1.2Classificationofsupercapacitors
中北大學(xué)論文23NPC，不含硼酸及尿素，只通過氯化鋅活化的樣品標(biāo)記為PC。3.3材料表征結(jié)果與分析3.3.1樣品形貌與結(jié)構(gòu)分析所有的樣品采用了相同的活化條件，得到了相似的微觀形貌。圖3.1（b）顯示了BNPC的SEM電子顯微鏡圖像，可以看出與圖3.1（a）中原始苧麻纖維相同分辨率大小下相比較，微觀形貌非常相似，說明了苧麻衍生碳很好地繼承了天然苧麻的一維性質(zhì)。原始苧麻纖維并沒有多孔的性質(zhì)以及高的比表面積，不能適用于超級(jí)電容器電極，而在經(jīng)過活化后，高倍率TEM圖像下可以看到所得炭材料上密集的微孔，為電荷儲(chǔ)存的主要場所，即比電容的主要來源。圖3.1（a）原始苧麻纖維的SEM圖像（b）NBPC的SEM圖像（c,d）NBPC的TEM圖像Fig.3.1(a)SEMimageofrawramiefibre(b)SEMimageofNBPC(c，d)TEMimageofNBPC所制備的苧麻衍生碳除了固有的大表面積以及熱穩(wěn)定性外，其一維性質(zhì)將在制備過程中以及后續(xù)它對應(yīng)的電極材料提供一系列的優(yōu)點(diǎn)。首先，作為天然生物質(zhì)材料，苧麻
本文編號(hào)：3400555
【文章來源】：中北大學(xué)山西省
【文章頁數(shù)】：74 頁
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【部分圖文】：
圖1.1雙電層電容器示意圖
中北大學(xué)論文3釋放出來。這種法拉第類型的電荷存儲(chǔ)現(xiàn)象被稱為贗電容，從而產(chǎn)生了另一類超級(jí)電容器——贗電容電容器（Pseudocapacitors）。在機(jī)理上它與電池十分類似，不同的是，贗電容儲(chǔ)電的機(jī)理與EDLCs一樣都屬于表面現(xiàn)象，它們對表面積的依賴關(guān)系是一致的。而其根本機(jī)理與EDLC還是有很大的不同，由于EDLC遵循的是純靜電現(xiàn)象，其電荷存儲(chǔ)完全可逆，而在贗電容則不是所有存儲(chǔ)的電荷都能在放電過程中被釋放。即使是最佳可逆組合下的電極材料與電解質(zhì)，化學(xué)反應(yīng)也不可能達(dá)到100%的可逆。這是有源材料不可避免的損耗，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，最大比電容將減小，影響贗電容的循環(huán)穩(wěn)定性。但贗電容材料包括金屬氧化物/氫氧化物以及導(dǎo)電聚合物一般來說在容量上的表現(xiàn)都要明顯優(yōu)于雙電層電容。以上即為超級(jí)電容器的兩種基本儲(chǔ)能原理。為了解決相對低能量密度的挑戰(zhàn)，此領(lǐng)域的一種方法是發(fā)展非對稱超級(jí)電容器。如水系對稱系統(tǒng)的電壓一般被限制在約1.2V，而非對稱超級(jí)電容器可以充分地利用正負(fù)極兩個(gè)不同的電位窗口，總體將其擴(kuò)展到2.0V以上，則正比于電位窗口的平方的能量密度得到提升。一般來說非對稱超級(jí)電容器可分為兩類，第一種為帶有兩個(gè)不同的電容型電極的系統(tǒng)，第二種被稱為混合電容器，即一個(gè)電極基于電容機(jī)制儲(chǔ)存電荷而另一個(gè)通過電池類型的法拉第法儲(chǔ)存電荷的裝置。電容式非對稱超級(jí)電容器充放電特性與對稱型的類似而混合型超級(jí)電容器與理想的電容性特征有明顯的偏差。而相同的是，二者均利用負(fù)極加速電荷輸運(yùn)而利用正極提高整體儲(chǔ)電容量。非對稱超級(jí)電容器這種配置已成為最近研究的熱點(diǎn)，并很有可能商業(yè)化發(fā)展。綜上，超級(jí)電容器的分類歸納于圖1.2中。圖1.2超級(jí)電容器的分類Fig1.2Classificationofsupercapacitors
中北大學(xué)論文23NPC，不含硼酸及尿素，只通過氯化鋅活化的樣品標(biāo)記為PC。3.3材料表征結(jié)果與分析3.3.1樣品形貌與結(jié)構(gòu)分析所有的樣品采用了相同的活化條件，得到了相似的微觀形貌。圖3.1（b）顯示了BNPC的SEM電子顯微鏡圖像，可以看出與圖3.1（a）中原始苧麻纖維相同分辨率大小下相比較，微觀形貌非常相似，說明了苧麻衍生碳很好地繼承了天然苧麻的一維性質(zhì)。原始苧麻纖維并沒有多孔的性質(zhì)以及高的比表面積，不能適用于超級(jí)電容器電極，而在經(jīng)過活化后，高倍率TEM圖像下可以看到所得炭材料上密集的微孔，為電荷儲(chǔ)存的主要場所，即比電容的主要來源。圖3.1（a）原始苧麻纖維的SEM圖像（b）NBPC的SEM圖像（c,d）NBPC的TEM圖像Fig.3.1(a)SEMimageofrawramiefibre(b)SEMimageofNBPC(c，d)TEMimageofNBPC所制備的苧麻衍生碳除了固有的大表面積以及熱穩(wěn)定性外，其一維性質(zhì)將在制備過程中以及后續(xù)它對應(yīng)的電極材料提供一系列的優(yōu)點(diǎn)。首先，作為天然生物質(zhì)材料，苧麻
本文編號(hào)：3400555
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