本文關(guān)鍵詞：活性炭電極材料的制備及其在超級(jí)電容器中的應(yīng)用研究

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【摘要】：超級(jí)電容器作為一種新型的電能儲(chǔ)存設(shè)備,因具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好和快速充/放電等特點(diǎn)而引起人們的強(qiáng)烈關(guān)注,其性能主要受電極材料的制約。碳材料是應(yīng)用最早的超級(jí)電容器電極材料。研究表明,摻氮可增加碳材料表面的浸潤(rùn)性和吸附性,促進(jìn)碳表面的電化學(xué)反應(yīng),從而增加材料導(dǎo)電率,是提高碳材料電化學(xué)性能的有效方法之一。因此,我們選用綠色、環(huán)保且廉價(jià)的碳前驅(qū)體作為原料,通過(guò)簡(jiǎn)單的化學(xué)活化法制得多孔活性炭材料,將其用于超級(jí)電容器,并對(duì)所制備材料的形貌、結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能等進(jìn)行了詳細(xì)的表征測(cè)試。主要內(nèi)容如下:1、以醫(yī)用脫脂棉(MAC)為碳源,ZnCl_2作活化劑,采用化學(xué)活化法制備了棉花基活性炭材料(CACs)。通過(guò)篩選炭化溫度和活化比,當(dāng)炭化溫度為900℃,活化比(MAC/ZnCl_2)為1:2時(shí),所制備的活性炭CAC2樣品的比表面積高達(dá)2548.6m2 g-1。作為電極材料,CAC2在以2 M KOH為電解液的三電極體系中,其比電容在電流密度為0.5 A g-1下為239 F g-1。同時(shí),在0.5 M Na_2SO_4電解液組成的兩電極體系中,當(dāng)電位窗口范圍為0-1.8 V時(shí),對(duì)稱(chēng)電池CAC2//CAC2的能量密度可達(dá)13.75 Wh kg-1,且能保持良好的穩(wěn)定性(經(jīng)5000次充/放電循環(huán)測(cè)試后,比電容減少7%)。2、采用ZnCl_2活化法制備了油渣基氮摻雜活性炭材料(N-RCs)。通過(guò)控制活化比來(lái)改善材料的表面特性,在最佳的活化比(油渣/ZnCl_2=1:2)下,所制備的最優(yōu)樣N-RC2有較大的比表面積和孔體積。作為電極材料,N-RC2在以6 M KOH為電解液的三電極體系中其比電容為250 F g-1。此外,兩電極測(cè)試結(jié)果表明,對(duì)稱(chēng)電池N-RC2//N-RC2的能量密度可達(dá)13.55 Wh kg-1,且循環(huán)穩(wěn)定性較好(經(jīng)5000次充/放電循環(huán)測(cè)試后,對(duì)稱(chēng)電池的比電容保留率為92.8%)。3、選用大豆分離蛋白作為含氮前驅(qū)體,ZnCl_2作活化劑,直接炭化制備氮摻雜活性炭材料(N-PACs)。其中,N-PAC-2樣品中的氮含量可高達(dá)10.92 wt%,且材料表面疏松多孔。三電極測(cè)試結(jié)果表明,在0.5 A g-1電流密度下,N-PAC-2電極的比電容為216 F g-1。同時(shí),在0.5 M Na_2SO_4電解液組成的兩電極體系中,當(dāng)電位窗口范圍為0-1.8 V時(shí),N-PAC-2//N-PAC-2對(duì)稱(chēng)電池的能量密度為13.95 Wh kg-1。此外,經(jīng)5000次充/放電循環(huán)測(cè)試后,對(duì)稱(chēng)電池的比電容保留率為93%,表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。
【關(guān)鍵詞】：超級(jí)電容器 電極材料 活性炭 氮摻雜
【學(xué)位授予單位】：西北師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TQ127.11;TM53
【目錄】：

• 中文摘要10-11
• Abstract11-13
• 第一章 緒論13-30
• 1.1 引言13
• 1.2 超級(jí)電容器的概述13-16
• 1.2.1 超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)13-14
• 1.2.2 超級(jí)電容器的工作原理14-15
• 1.2.2.1 雙電層電容器的工作原理14
• 1.2.2.2 贗電容器的工作原理14-15
• 1.2.3 超級(jí)電容器的分類(lèi)15
• 1.2.4 超級(jí)電容器的特點(diǎn)15-16
• 1.2.5 超級(jí)電容器的發(fā)展前景16
• 1.3 超級(jí)電容器電極材料16-22
• 1.3.1 金屬化合物材料16-18
• 1.3.1.1 金屬氧化物17
• 1.3.1.2 金屬硫化物17
• 1.3.1.3 金屬氮化物17-18
• 1.3.2 導(dǎo)電聚合物材料18-19
• 1.3.2.1 聚苯胺(PANI)18
• 1.3.2.2 聚吡咯(PPy)18-19
• 1.3.2.3 聚噻吩(PTh)19
• 1.3.3 碳材料19-22
• 1.3.3.1 活性炭(ACs)19-20
• 1.3.3.2 碳納米管(CNTs)20-21
• 1.3.3.3 石墨烯21
• 1.3.3.4 模板炭21-22
• 1.3.3.5 含雜原子的碳材料22
• 1.4 本論文的選題依據(jù)、研究思路和主要內(nèi)容22-24
• 參考文獻(xiàn)24-30
• 第二章 棉花基活性炭超級(jí)電容器電極材料的制備及其性能研究30-45
• 2.1 引言30
• 2.2 實(shí)驗(yàn)部分30-33
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器30-31
• 2.2.2 棉花基活性炭(CACs)材料的制備31-32
• 2.2.3 棉花基活性炭(CACs)材料的表征32
• 2.2.3.1 掃描電鏡(SEM)形貌表征32
• 2.2.3.2 氮?dú)馕?脫附比表面積(BET)表征32
• 2.2.3.3 X射線衍射(XRD)表征32
• 2.2.3.4 拉曼光譜(Raman)表征32
• 2.2.4 CACs電極材料的電化學(xué)性能測(cè)試32-33
• 2.2.4.1 三電極體系測(cè)試33
• 2.2.4.2 兩電極體系測(cè)試33
• 2.3 結(jié)果與討論33-41
• 2.3.1 結(jié)構(gòu)與形貌分析34-36
• 2.3.1.1 CACs材料的SEM分析34-35
• 2.3.1.2 CACs材料的氮?dú)馕?脫附比表面積(BET)分析35-36
• 2.3.1.3 CAC2材料的XRD和Raman分析36
• 2.3.2 CACs電極材料的電化學(xué)性能分析36-41
• 2.4 小結(jié)41-42
• 參考文獻(xiàn)42-45
• 第三章 油渣基氮摻雜活性炭超級(jí)電容器電極材料的制備及其性能研究45-59
• 3.1 引言45
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分45-48
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器45-46
• 3.2.2 油渣基氮摻雜活性炭(N-RCs)材料的制備46-47
• 3.2.3 油渣基氮摻雜活性炭(N-RCs)材料的表征47
• 3.2.3.1 掃描電鏡(SEM)形貌表征47
• 3.2.3.2 透射電子顯微鏡(TEM)形貌表征47
• 3.2.3.3 氮?dú)馕?脫附比表面積(BET)表征47
• 3.2.3.4 元素分析(EA)表征47
• 3.2.3.5 X射線衍射(XRD)表征47
• 3.2.3.6 拉曼光譜(Raman)表征47
• 3.2.4 N-RCs電極材料的電化學(xué)性能測(cè)試47-48
• 3.2.4.1 三電極體系測(cè)試48
• 3.2.4.2 兩電極體系測(cè)試48
• 3.3 結(jié)果與討論48-55
• 3.3.1 結(jié)構(gòu)與形貌分析48-51
• 3.3.1.1 N-RCs材料的SEM分析48-49
• 3.3.1.2 N-RC2材料的TEM分析49-50
• 3.3.1.3 N-RCs材料的氮?dú)馕?脫附比表面積(BET)和元素(EA)分析50-51
• 3.3.1.4 N-RC2材料的XRD和Raman分析51
• 3.3.2 N-RCs電極材料的電化學(xué)性能分析51-55
• 3.4 小結(jié)55-57
• 參考文獻(xiàn)57-59
• 第四章 超高氮摻雜活性炭電極材料的制備及其在超級(jí)電容器中的應(yīng)用研究59-73
• 4.1 引言59
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分59-62
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器59-60
• 4.2.2 氮摻雜活性炭(N-PACs)材料的制備60
• 4.2.3 氮摻雜活性炭材料(N-PACs)的表征60-61
• 4.2.3.1 掃描電鏡(SEM)表征60
• 4.2.3.2 氮?dú)馕?脫附比表面積(BET)表征60-61
• 4.2.3.3 元素分析(EA)表征61
• 4.2.3.4 X射線光電子能譜(XPS)表征61
• 4.2.3.5 X射線衍射(XRD)表征61
• 4.2.3.6 拉曼光譜(Raman)表征61
• 4.2.4 氮摻雜活性炭(N-PACs)電極材料的電化學(xué)性能測(cè)試61-62
• 4.2.4.1 三電極體系測(cè)試61
• 4.2.4.2 兩電極體系測(cè)試61-62
• 4.3 結(jié)果與討論62-69
• 4.3.1 氮摻雜活性炭(N-PACs)材料的形貌與結(jié)構(gòu)分析62-65
• 4.3.1.1 N-PACs材料的SEM分析62-63
• 4.3.1.2 N-PACs材料的氮?dú)馕?脫附比表面積(BET)和元素(EA)分析63-64
• 4.3.1.3 N-PAC-2材料的XPS分析64
• 4.3.1.4 N-PAC-2 材料的XRD和Raman分析64-65
• 4.3.2 N-PACs電極材料的電化學(xué)性能分析65-69
• 4.4 小結(jié)69-70
• 參考文獻(xiàn)70-73
• 碩士期間發(fā)表論文73-74
• 致謝74

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