本文關(guān)鍵詞：碳材料的制備、改性及其電化學(xué)電容性能研究

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【摘要】：隨著傳統(tǒng)化石能源的日益短缺和使用化石能源帶來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻,21世紀(jì)的人們迫切需要開發(fā)新型綠色、可持續(xù)、高能效的清潔能源。超級電容器是一種新型能源儲存器件,兼有傳統(tǒng)電容器和電池的優(yōu)點(diǎn),比如功率密度大、充放電速度快、循環(huán)穩(wěn)定性好、環(huán)境友好等。而超級電容器電化學(xué)性能主要取決于電極材料,人們?yōu)橹苽涑隼硐氲某夒娙萜麟姌O材料做出了很多努力。本文在大量文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上,將研究重點(diǎn)放在經(jīng)久不衰又充滿活力的碳材料上,以提高碳材料作為超級電容器電極材料的電化學(xué)性能為核心,開展了以下三個(gè)工作:(1)熱膨脹法是一種快速制備大量優(yōu)質(zhì)石墨烯的有效方法,人們通常認(rèn)為影響熱膨脹石墨烯微觀結(jié)構(gòu)和性能的主要因素為環(huán)境氣壓、溫度和使用的酸或者有機(jī)物的種類,但尚無人關(guān)注熱膨脹之前用到的物理處理過程是否有意義,酸的加入是否有副作用。我們以氧化石墨粉(Graphite Oxide,GO)為原料,通過比較不同物理前處理和不同酸輔助制備的熱膨脹石墨的微觀結(jié)構(gòu)和電容性能發(fā)現(xiàn):不同的前處理方法對石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)、比表面積和電化學(xué)性能有很大影響。物理前處理能在剪切GO的同時(shí)對其進(jìn)一步氧化,這有利于GO在熱還原過程中的膨脹和剝離,并且超聲比攪拌的效果更好。與文獻(xiàn)報(bào)道的不同,在超聲過程中引入酸反而會導(dǎo)致熱膨脹石墨烯比表面積的縮小,這是因?yàn)樗釙餑O強(qiáng)烈的自組裝和一定程度上的聚沉。不過,在熱膨脹過程中酸會分解,并與碳原子發(fā)生反應(yīng),從而產(chǎn)生更多的孔,豐富的孔結(jié)構(gòu)有利于電解液的快速擴(kuò)散。作為超級電容器電極材料,除了比表面積,孔結(jié)構(gòu)也會對其電化學(xué)性能產(chǎn)生影響,實(shí)驗(yàn)證明酸輔助超聲得到的石墨烯雖然比表面積有所減小,但由于孔結(jié)構(gòu)的改善,電化學(xué)性能更好,比電容高達(dá)238 F g-1。物理前處理和不同揮發(fā)性酸對熱膨脹石墨烯具體的作用在本文的第三章進(jìn)行了詳細(xì)討論。(2)基于上述對熱膨脹石墨烯制備過程的研究成果,我們選擇了在超級電容器中應(yīng)用最早的活性炭(ACs),對碳材料的制備過程進(jìn)行進(jìn)一步探究和優(yōu)化。我們以生物質(zhì)為碳源,不同于傳統(tǒng)的有機(jī)物熱解—堿活化制備活性炭的方式,采用H_2O2/HAc活化—碳化法制備出了高性能活性炭。以蓮蓬殼為原材料,用H_2O2/HAc混合液對其進(jìn)行水熱活化后,在700°C碳化得到電化學(xué)性能優(yōu)異的活性炭(C-H_2O2/HAc)。C-H_2O2/HAc的比表面積高達(dá)1056 m2 g-1,在0.5 A g-1下的比電容為330 F g-1。為分析不同處理過程對產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能的影響,我們還考察了單一組分對蓮蓬的活化效果。分析測試結(jié)果表明:在水熱過程中,H_2O2對蓮蓬殼有腐蝕和促進(jìn)氧化的作用,有利于碳化過程中形成更多的孔;HAc可以促進(jìn)蓮蓬殼在碳化過程中剝離得到更為疏松的活性炭薄層。這種制備活性炭的方法為碳化生物質(zhì)材料并應(yīng)用到能源存儲方面提供了一種新的途徑。(3)有序介孔碳(OMC)擁有形成雙電層電容所需的大比表面積和合適孔道,是超級電容器中理想的支撐材料,但其儲能方式單一,能量密度偏低。聚苯胺(PANI)是具有高度可逆氧化還原反應(yīng)的贗電容材料,比電容高,但材料結(jié)構(gòu)易坍塌,循環(huán)穩(wěn)定性差。將OMC和PANI復(fù)合用于超級電容器的文獻(xiàn)報(bào)道有很多,本文以Mn2O3為犧牲模板,不僅將PANI有效地固定在了OMC上,還實(shí)現(xiàn)了在OMC上不同PANI負(fù)載量的控制合成。微觀結(jié)構(gòu)分析表明,PANI薄膜均一地覆蓋在OMC上,通過調(diào)控Mn2O3/OMC中Mn2O3的量能有效的控制合成PANI負(fù)載量不同的PANI/OMC復(fù)合材料。作為超級電容器電極材料,PANI/OMC復(fù)合材料的比電容高達(dá)467 F g-1,遠(yuǎn)高于單一的OMC、Mn2O3/OMC和PANI。此外,不同PANI負(fù)載量對PANI/OMC復(fù)合材料的電化學(xué)性能的影響在第五章也進(jìn)行了詳細(xì)分析。
【關(guān)鍵詞】：超級電容器 熱剝離 石墨烯 介孔碳 生物質(zhì)活性炭
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TM53
【目錄】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 引言12
• 1.2 超級電容器概述12-14
• 1.2.1 超級電容器結(jié)構(gòu)單元12
• 1.2.2 超級電容器的發(fā)展?fàn)顩r12-13
• 1.2.3 超級電容器的應(yīng)用前景13-14
• 1.3 超級電容器的儲能原理14-16
• 1.3.1 雙電層電容的儲能原理14
• 1.3.2 贗電容的儲能原理14-15
• 1.3.3 混合電容器的儲能原理15-16
• 1.4 超級電容器的特點(diǎn)16
• 1.5 超級電容器電極材料16-23
• 1.5.1 金屬氧化物/氫氧化物電極材料17-19
• 1.5.2 導(dǎo)電聚合物19-20
• 1.5.3 碳材料20-23
• 1.6 本文的選題依據(jù)和研究內(nèi)容23-26
• 第2章 實(shí)驗(yàn)方法26-30
• 2.1 試劑與儀器26-27
• 2.2 材料表征技術(shù)27-28
• 2.2.1 X射線粉末衍射分析(XRD)27
• 2.2.2 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)27
• 2.2.3 透射電子顯微鏡(TEM)27
• 2.2.4 X射線光電子能譜分析(XPS)27-28
• 2.2.5 比表面積及孔徑分布測試(BET)28
• 2.2.6 紅外光譜分析（FTIR）28
• 2.2.7 熱分析28
• 2.3 電極材料電化學(xué)性能測試方法28-30
• 2.3.1 電極制備28-29
• 2.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置29
• 2.3.3 循環(huán)伏安性能測試29
• 2.3.4 恒流充放電測試29
• 2.3.5 交流阻抗測試29-30
• 第3章 實(shí)驗(yàn)探究前處理工藝對熱剝離石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)和超電容性能的影響30-40
• 3.1 引言30-31
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分31
• 3.2.1 不同物理前處理方法制備熱膨脹石墨烯31
• 3.2.2 不同酸輔助制備熱膨脹石墨烯31
• 3.3 結(jié)果與討論31-39
• 3.3.1 GO和熱膨脹石墨烯的XRD表征31-32
• 3.3.2 GO和熱膨脹石墨烯的形貌分析32-34
• 3.3.3 GO和熱膨脹石墨烯的N_2吸脫附測試34-35
• 3.3.4 GO和 熱膨脹石墨烯前驅(qū)體的FT-IR表征35-36
• 3.3.5 GO和熱膨脹石墨烯的XPS表征36-37
• 3.3.6 GO和熱膨脹石墨烯的電化學(xué)測試37-39
• 3.4 結(jié)論39-40
• 第4章 H_2O_2/HAC活化—碳化法制備活性炭及其電化學(xué)性能研究40-46
• 4.1 引言40
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分40-41
• 4.2.1 C-H_2O_2/HAc樣品前驅(qū)體的制備40-41
• 4.2.2 碳化制備C-H_2O_2/HAc樣品41
• 4.3 結(jié)果與討論41-45
• 4.3.1 C-H_2O、C-H_2O_2、C-HAc和C-H_2O_2/HAc的形貌分析41-42
• 4.3.2 C-H_2O、C-H_2O_2、C-HAc和C-H_2O_2/HAc的XRD表征42
• 4.3.3 C-H_2O、C-H_2O_2、C-HAc和C-H_2O_2/HAc的N_2吸脫附測試42-43
• 4.3.4 C-H_2O、C-H_2O_2、C-HAc和C-H_2O_2/HAc的電化學(xué)性能測試43-45
• 4.4 結(jié)論45-46
• 第5章 介孔碳固定聚苯胺復(fù)合材料的制備及在超級電容器中的運(yùn)用46-52
• 5.1 引言46-47
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分47
• 5.2.1 Mn_2O_3/OMC復(fù)合材料的合成47
• 5.2.2 PANI/OMC復(fù)合材料和PANI的合成47
• 5.3 結(jié)果與討論47-51
• 5.3.1 OMC, Mn_2O_3/OMC和PANI/OMC的XRD和FT-IR表征47-48
• 5.3.2 OMC, Mn_2O_3/OMC和PANI/OMC復(fù)合材料的形貌分析48-49
• 5.3.3 Mn_2O_3/OMC和PANI/OMC復(fù)合材料的熱重分析49
• 5.3.4 OMC, Mn_2O_3/OMC和PANI/OMC復(fù)合材料的電化學(xué)測試49-51
• 5.4 結(jié)論51-52
• 第6章 總結(jié)與展望52-54
• 6.1 總結(jié)52
• 6.2 展望52-54
• 參考文獻(xiàn)54-62
• 致謝62-64
• 碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文64

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