生物質(zhì)基多孔炭超級電容器電極材料是一種以生物質(zhì)為原料制備而成的電極材料,應(yīng)用于超級電容器領(lǐng)域。本論文以幾種生物質(zhì)為原料,利用其良好的表面修飾性、廉價(jià)易得性以及可工業(yè)化應(yīng)用等優(yōu)勢,制備出雜原子摻雜超級電容器電極材料。研究內(nèi)容如下:（1）氮摻雜竹活性炭材料（NC）以竹炭為炭前驅(qū)體,三聚氰胺為氮源制備而成,通過控制活化時(shí)的炭堿比,研究其電化學(xué)性能。結(jié)果表明在1 A/g電流密度下比電容量高達(dá)224 F/g,相對于空白樣（BC-1）比電容量提高了86.6%。在10 A/g電流密度下經(jīng)5000次循環(huán)充放電后仍可達(dá)到93%的初始電容保持率。（2）以竹粉為炭前驅(qū)體,三聚氰胺為氮源,K₂CO₃為預(yù)活化劑,通過物理機(jī)械預(yù)處理在竹粉表面成功接入含氮官能團(tuán),通過兩次活化工藝成功制備了氮摻雜竹基多孔炭電極材料（N-BC）。在兩電極體系測試中,N-BC-3不僅表現(xiàn)出高的比電容量（0.1 A/g時(shí)為258 F/g）,還具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性能（5000次充放電循環(huán)后電容保持率為97.4%）。（3）以玉米芯為原料,采用亞硫酸鹽制漿工藝提取磺酸鹽,以十六烷基三甲基溴化銨（CTA... 

【文章來源】：北京林業(yè)大學(xué)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：76 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

超級電容器裝置及其各個(gè)組件的示意圖（Zequineetal.，2016）

雜原子摻雜生物質(zhì)基超級電容器電極材料的制備與電性能研究2基于以上的儲能機(jī)理，生物質(zhì)基超級電容器材料大致分為兩類。一類為純炭基電極材料，一般通過炭化（形成介孔）和活化（形成微孔）工藝使竹炭材料具有極高的比表面積，可實(shí)現(xiàn)雙電層電容特性。另一類以炭材料作為（生長或復(fù)合）基底材料，一般采用預(yù)處理工藝將贗電容材料與多孔炭材料進(jìn)行復(fù)合，實(shí)現(xiàn)在充放電過程中性能的擴(kuò)增。開發(fā)高比表面積、合理孔徑比例的炭材料對實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)具有高比容量的超級電容器具有重要意義，因而近年來成為研究熱點(diǎn)，備受各國研究學(xué)者的關(guān)注。1.2炭材料制備過程簡介圖1.2生物質(zhì)在高溫下炭化和活化過程示意圖（Shietal.，2017）。Fig.1.2Schematicdiagramofcarbonizationandactivationofbiomassathightemperatures.炭材料的制備過程主要分為炭化和活化過程兩步（如圖1.2所示）（Shietal.，2017）。炭化過程通常采用直接高溫炭化或者水熱炭化方法，使炭前驅(qū)體中所含的生物質(zhì)高分子在高溫或高壓下形成有序的碳結(jié)構(gòu)，分子鏈上的-OH和-H經(jīng)過一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，形成的五元碳環(huán)或六元碳環(huán)構(gòu)成了有序的碳網(wǎng)絡(luò)（Tianetal.，2015）。之后的活化過程是對炭材料進(jìn)行造孔和修飾的過程，主要的活化試劑有氫氧化鉀（KOH）（Gunaseketal.，2018）、磷酸（H3PO4）（Ahresthaetal.，2016）和水蒸氣等。制備的炭材料通常具備高比表面積、豐富的微孔和適量的介孔，可實(shí)現(xiàn)基于電極/電解液界面儲存能量的雙電層電容特性，這也是其優(yōu)異電化學(xué)性能的關(guān)鍵。不同活化方

雜原子摻雜生物質(zhì)基超級電容器電極材料的制備與電性能研究4圖1.3石墨功能化炭氣凝膠合成路線示意圖及其電子掃描顯微鏡圖（楊勝杰等，2011）。Fig.1.3SchematicofgraphenefunctionalizedcarbonxerogelandSEMmicrostructural.與上述傳統(tǒng)的工藝流程和活化方式不同，楊勝杰等（2011）將竹粉與堿（KOH）混合后直接通過微波炭化獲得電極材料，由于微波炭化工藝具有加熱均勻、能耗低、速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，采用該工藝可增加生物質(zhì)內(nèi)部的活性位點(diǎn)，有利于形成更為發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)。研究表明，增加微波功率可有效降低竹基多孔炭材料的內(nèi)阻，在最佳微波功率（720W）條件下所制備電極材料的比電容量可高達(dá)244.2F/g。王玉新等（2008）采用80%磷酸作為活化劑，通過控制浸漬時(shí)間調(diào)節(jié)竹材纖維素的水解比例和其他組分的抽出程度，從而調(diào)控所制備炭材料中微孔和介孔的比例，在最優(yōu)化條件下（磷酸浸漬3天、500℃活化3h）制備的竹炭材料，比表面積高達(dá)2127m2/g、總孔容為1.347cm3/g，介孔占比為40.14%，區(qū)別于KOH活化的椰殼（20%）和竹（35%）炭材料。用其作為電極材料制的電容器，當(dāng)電流密度從0.05A/g增加到1A/g時(shí)，比電容量由171F/g減少到149F/g，電容保持率高達(dá)87%。竹炭材料電極材料常采用炭化活化工藝制備（Yangetal.，2014；Chenetal.，2017；Zhangetal.,2018），流程簡單易用、生產(chǎn)成本低、干擾因素少，并且具有一定的循環(huán)穩(wěn)定性。同時(shí)，可以通過控制活化工段的溫度（700-1000℃）與炭堿比（1:1-1:4）就可以對竹炭材料內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)及分布進(jìn)行有效調(diào)控，從而使竹炭基材料具有最優(yōu)異的電性能。但是，單一的竹炭材料僅依靠內(nèi)部的孔隙（大孔、介孔及微孔）對電解液中離子的吸附和解吸作用實(shí)現(xiàn)能量儲存與釋放，該儲能機(jī)理導(dǎo)致純竹炭材料很難突破本身比電

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]微型超級電容器的電化學(xué)阻抗譜分析[J]. 呂曉靜,朱平.  微納電子技術(shù). 2017(01)
[2]竹炭/聚苯胺復(fù)合材料作為超級電容器電極材料的研究[J]. 方偎,陳曉紅,宋懷河,邵景春.  炭素技術(shù). 2015(03)
[3]微波輻射制備雙電層電容器用竹炭[J]. 楊勝杰,梁峰,路永廣,張曉麗.  電池工業(yè). 2011(02)
[4]竹炭生物模板輔助合成納米Co3O4及其電化學(xué)電容性能[J]. 張君濤,龔良玉,錢備.  青島農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2009(04)
[5]竹質(zhì)中孔活性炭在雙電層電容器中的應(yīng)用研究[J]. 王玉新,時(shí)志強(qiáng),周亞平.  炭素技術(shù). 2008(03)
[6]竹木質(zhì)素的紅外光譜與X射線光電子能譜分析[J]. 郭京波,陶宗婭,羅學(xué)剛.  化學(xué)學(xué)報(bào). 2005(16)

博士論文
[1]雜原子摻雜碳材料及其復(fù)合材料在超級電容器中的應(yīng)用研究[D]. 錢文靜.蘇州大學(xué) 2018

碩士論文
[1]雜原子自摻雜污泥碳的可控制備及其電容和氧還原性能研究[D]. 馮偉明.華南理工大學(xué) 2018
[2]木竹材衍生碳基超級電容器電極材料的制備及其性能研究[D]. 劉鐸.浙江農(nóng)林大學(xué) 2016
[3]竹炭/聚苯胺復(fù)合電極材料的制備與表征[D]. 李嵐豐.青島科技大學(xué) 2012
[4]二氧化錳/竹基活性炭超級電容器電極材料研究[D]. 寧孌.北京化工大學(xué) 2009



本文編號：3128317