【摘要】：隨著化石類能源的日益耗竭以及環(huán)境污染問題的日漸突顯,綠色清潔能源受到社會越來越多的關注和重視,而作為新型儲能元件的雙電層電容器近年的發(fā)展尤其迅速。炭氣凝膠是一類極具潛力和應用前景的雙電層電容器用多孔炭電極材料。采用兩親性炭材料(ACM)制備炭氣凝膠,具有原料成本低廉,過程簡單易行、環(huán)境友好等優(yōu)點,符合綠色化工的理念,具有一定的科研價值與應用前景。本文以混酸氧化中溫煤瀝青制備的兩親性炭材料(ACM)為原料,通過對ACM溶解過程和溶劑置換過程中溶劑的調控,制備出了不同形貌的有機氣凝膠,并對凝膠的結構和形成機理作了初步分析。以丙酮置換法得到有機氣凝膠OAs-1,經炭化穩(wěn)定化后,分別采用KOH活化法和ZnCl2活化法調節(jié)孔道結構,制備活化炭氣凝膠。系統(tǒng)研究了活化條件對活化炭氣凝膠的形貌、收率、比表面積和孔道參數(shù)的影響,并考察了其作為雙電層電容器電極材料的電化學行為。研究表明,采用KOH活化制備的活化炭氣凝膠PCAs具有非常高的比表面積,活化收率為20%左右,低堿炭比活化時能夠較好保持炭氣凝膠的骨架結構。堿炭比為1.5時,PCAs-1.5比表面積高達2598.2 m2/g,小中孔主要分布在2~5 nm。在30%KOH為電解液的雙電層電容器體系中,PCAs-1.5在0.05 A/g電流密度下的比容量高達283 F/g,40 A/g時的比容量仍然高達221.3 F/g,在5000次循環(huán)測試后的容量衰減僅為5.73%(電流密度為1 A/g條件下),表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能。ZnCl2作為活化劑時,得到的ACAs樣品較好的繼承了炭氣凝膠的三維骨架形貌,并且具有高于80%的活化收率。ZnCl2制備的多孔炭以微孔為主,中孔主要分布在2~3 nm。實驗得到的最優(yōu)活化條件為:活化溫度是500℃、ZnCl2/CAs的質量比是3:1。在此條件下制備的ACAs-500-3-2樣品比表面積為1306.8 m2/g。在水系電容器中,樣品ACAs-500-3-2在電流密度為50 mA/g時的比容量高達255.2 F/g,40 A/g時比容量仍然有216.8 F/g,容量保持率為82.4%,體現(xiàn)出良好的大倍率性能。
[Abstract]:With the increasing depletion of fossil energy and environmental pollution, more and more attention has been paid to green and clean energy. As a new type of energy storage element, double-layer capacitor has been developed rapidly in recent years. Carbon aerogel is a kind of porous carbon used in double-layer capacitors with great potential and application prospects. Polar materials. Carbon aerogels prepared from amphiphilic carbon materials (ACM) have the advantages of low cost, simple process and friendly environment. It conforms to the concept of green chemical engineering and has certain scientific research value and application prospect. In this paper, amphiphilic carbon materials (ACM) prepared by mixed acid oxidation of medium temperature coal tar pitch are used as raw materials through the dissolution process of ACM. Organic aerogels with different morphologies were prepared by adjusting the solvents in the process of solvent replacement and acetone replacement. OAs-1 was obtained by acetone replacement. After carbonization and stabilization, the pore structure was adjusted by KOH activation method and ZnCl2 activation method, respectively, to prepare activated carbon aerogels. The effects of activation conditions on the morphology, yield, specific surface area and pore parameters of activated carbon aerogels were investigated, and the electrochemical behavior of activated carbon aerogels as electrode materials for double layer capacitors was investigated. The specific surface area of PCAs-1.5 is as high as 2598.2 m2/g when the ratio of alkali to carbon is 1.5, and the small and medium pores are mainly distributed between 2 and 5 nm. In the double-layer capacitor system with 30% KOH as electrolyte, the specific capacity of PCAs-1.5 is as high as 283 F/g at 0.05 A/g current density, 221.3 F/g at 40 A/g and 5000 times. When ZnCl2 was used as an activator, the ACAs samples inherited the three-dimensional skeleton morphology of the carbon aerogel and had a high activation yield of more than 80%. The porous carbon prepared by ZnCl2 was mainly microporous and mesoporous. The optimum activation conditions are as follows: activation temperature is 500 C and the mass ratio of ZnCl2 to CAs is 3:1. The specific surface area of ACAs-500-3-2 sample prepared under this condition is 1306.8 m2/g. The specific capacitance of ACAs-500-3-2 sample is as high as 255.2 F/g at current density of 50 mA/g and 2.2 F/g at 40 A/g. 16.8 F/g, the capacity retention rate is 82.4%, reflecting good high rate performance.
【學位授予單位】：天津大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ427.26;TM53

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本文編號：2209897