電極材料是超級電容器研究的關(guān)鍵。超級電容器的電極材料主要包括石墨烯、碳納米管和活性碳[1-4]。其中活性碳因具有電化學(xué)可逆性和可調(diào)節(jié)的孔徑而成為有力的碳材料候選者[5,6]。盡管如此,低能量密度和高制備成本限制了活性碳的使用。因此,需要開發(fā)新穎有效的方法來合成活性碳,以節(jié)約成本和實現(xiàn)綠色環(huán)保要求,從而促進其實際應(yīng)用[7,8]。鑒于多孔碳材料的優(yōu)異性能,可以將生物質(zhì)廢棄物用作低成本和環(huán)保的原料來合成多孔碳材料[9^-11]。另外,生物質(zhì)包含氮、硫、磷和幾種金屬元素（例如鐵和銅）。這些元素都可以提供贗電容來改善電化學(xué)性能[12]。在本課題中,我們以柚子皮或從柚子皮中提取的半纖維素為碳源,通過研磨或溶解從而與含雜原子的化合物混合,最后利用一步碳化或活化法來引入微孔和介孔,得到高雜原子含量且電化學(xué)性能優(yōu)異的多孔活性碳材料。本課題的主要工作如下:（1）我們以生物質(zhì)廢棄物柚子皮為碳源,以過硫酸銨同時為氮源和硫源,將其混合研磨制備碳前驅(qū)體,先在500°C下預(yù)碳化2 h,之后加入KOH活化劑在500°C到800°C溫度下且在氮氣保護的環(huán)境中活化2 h,制備了氮硫共摻雜多孔碳材料。經(jīng)... 

【文章來源】：上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)上海市

【文章頁數(shù)】：60 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

具有不同質(zhì)量比的纖維素，半纖維素和木質(zhì)素的SEM圖像

第2頁上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文1.2超級電容器超級電容器是一種具有超高儲電能力的電容器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.2所示。它主要通過靜電累積或電化學(xué)作用來儲存電能。超級電容器不僅可以在大電流下穩(wěn)定的進行充放電，又可以像其它電池一樣進行儲能[30,31]。和市售電池或儲能器件相比，超級電容器具有許多優(yōu)勢：因其優(yōu)異的穩(wěn)定性能，在使用時擁有長達幾萬次的循環(huán)壽命；在進行充放電時可逆性好且效率高；與鋰離子電池相比，其安全性高；對工作溫度的要求低，其可以在很低和很高的溫度下進行使用，不局限于室溫；充電簡單且不會出現(xiàn)過充現(xiàn)象，因為沒有過充的可能。但超級電容器自放電過于嚴重使很大一部分電能無法有效利用；其單位質(zhì)量內(nèi)所存貯的能量（即能量密度）過低，使得無法輕質(zhì)化生產(chǎn)[28,32-36]。圖1.2超級電容器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig1.2Schematicdiagramofsupercapacitor.1.2.1超級電容器分類超級電容器包括利用靜電作用儲能的雙電層電容器和依靠化學(xué)反應(yīng)儲能的法拉第贗電容器（圖1.3）。雙電層電容器依靠物理過程進行儲能，主要依靠正負離子吸附在電極和電解液表面而形成電勢差（即靜電作用）。因此，雙電層電容器在儲能時沒有經(jīng)過任何的化學(xué)反應(yīng)過程，離子可重復(fù)往返電極表面與電解液，致使其可逆性好[3,37,38]。法拉第贗電容器的本質(zhì)是化學(xué)反應(yīng)過程，依賴于活性物質(zhì)的電位沉積而發(fā)生[39,40]。隨著超級電容器的日漸成熟，人們嘗試研究混合型超級電容器，它是兩種超級電容器的組裝和結(jié)合[41-44]。1.2.2生物質(zhì)基碳材料簡介生物質(zhì)通常是指來源于自然界的植物或植物基材料，可以在光照條件下使用二氧化碳和水為原料通過生物光合作用合成[45,46]。目前大量的生物質(zhì)僅僅用來燃燒，該過程的能量利用效率低下，并且還造成嚴重的空氣污染。作?

上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文第3頁擴散[48-50]。采用不同的策略，包括設(shè)計新穎的合成方法或?qū)ふ矣行У暮笮揎椉夹g(shù)從而改善電化學(xué)性能。生物質(zhì)基多孔碳的合成策略對尺寸或表面性質(zhì)（例如形態(tài)，電化學(xué)和機械學(xué)）具有巨大影響，有益于增強能量轉(zhuǎn)化和存儲性能[37,51,52]。圖1.3超級電容器分類Fig1.3Classificationofsupercapacitors.生物質(zhì)衍生的碳是一種人造碳材料，與天然存在的碳（如木炭，石墨和鉆石）有很大的不同。由于石墨和金剛石是在高溫高壓下通過變質(zhì)或火成環(huán)境中地殼中自然沉積的碳形成的[53]，生物量衍生的碳是通過轉(zhuǎn)化天然產(chǎn)物（包括植物，食物微生物，和動物廢物[54]通過熱碳化和活化[55]等人工過程制成多孔碳材料。在熱碳化過程中，將生物質(zhì)進行高溫加熱，生物大分子骨架中的雜原子則逸出，使碳骨架具有多孔結(jié)構(gòu)。在隨后的激活后，剩余的碳骨架可以形成具有相對較高的電導(dǎo)率，表面積和孔隙率的互連3D結(jié)構(gòu)，使其成為能量存儲應(yīng)用（尤其是超級電容器）的極佳候選者[56-59]。1.2.3生物質(zhì)基碳材料儲能機理類似于其他碳材料，生物質(zhì)基碳材料通過雙電層機制存儲電荷[60]。理論上，通過將電解質(zhì)中的抗衡離子吸引到電極的近表面來平衡電極（q）的電荷，而抗衡離子根據(jù)電極表面上的電荷分布排列并形成一層電荷。電極表面上的電荷和抗衡離子的帶電層形成雙電層，而電壓降跨過這兩層之間的區(qū)域（也稱為外亥姆霍茲平面），如圖1.4所示，該雙電層在溶液中的行為類似于由電介質(zhì)隔開的電容器[61,62]。利用雙電層機制進行電荷存儲的超級電容器可以歸類為雙電層電容器（EDLC），包括生物質(zhì)衍生的碳。生物質(zhì)衍生的碳應(yīng)至少具有以下特性，包括：（i）大比電容（C），對應(yīng)于高功率和能量密度；（ii）低等效串聯(lián)電阻（RS），對應(yīng)于小的電壓降，更多的


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