本文關(guān)鍵詞：利用高分子廢棄材料大規(guī)模制備多孔碳及其電化學(xué)性能研究

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【摘要】：超級(jí)電容器作為一種綠色的能源存儲(chǔ)器件,是一種介于充電電池和傳統(tǒng)電容器之間具有快速充放電的新型功率型能源存儲(chǔ)設(shè)備。在超級(jí)電容器各種組件中,電極材料被認(rèn)為對(duì)其性能產(chǎn)生決定性影響。其中,炭材料由于具有多方面的優(yōu)點(diǎn)(結(jié)構(gòu)可控、比表面積高、密度低、機(jī)械穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性高以及易于規(guī)模化生產(chǎn)等),因此,超級(jí)電容器用碳基電極材料引起了人們的廣泛關(guān)注。本文首先利用模板碳化法制備出高比表面積、合理孔徑分布的多孔碳材料,然后對(duì)所制備的碳材料進(jìn)行深入處理,以提高其電化學(xué)性能。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：1、通過利用模板碳化法將含鹵廢棄塑料轉(zhuǎn)變成納米多孔炭。這種普適性的方法使用鋅粉作為硬模板。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),含鹵廢棄塑料和鋅粉的比例以及炭化溫度對(duì)于所制備碳材料的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能產(chǎn)生決定性的影響。其中,聚四氟乙烯與鋅粉的混合物(質(zhì)量比為1：3)在700℃條件下所得到碳材料(PTFE-1:3-700樣品)具有高的比表面積和大的孔容,分別為800.5 m2g-1,1.59 cm3g-1。同時(shí),該樣品在電流密度0.5 A g-1下,比電容可以達(dá)到313.7 F g-1,表現(xiàn)出優(yōu)越的電化學(xué)性能。此外,PTFE-1:3-700樣品展現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。即使是充電-放電5000次后,其比電容仍然可以保持原來的93.10%。更加重要的是,制備納米多孔炭所用的碳源可以推廣到聚偏氟乙烯和聚氯乙烯,揭示了合成方法的普適性。2、在此闡述一種有效的模板碳化法將廢棄聚氯乙烯(PVC)轉(zhuǎn)變成納米多孔炭。其中,使用廉價(jià)的Mg(OH)2作為硬模板。在指定PVC與Mg(OH)2的比例(質(zhì)量比為1：2),碳化溫度為700℃下所制備的碳-空白樣品具有高度發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu),在本質(zhì)上是非晶的。它同樣展現(xiàn)出高的比表面積(958.6 m2g-1)、大的孔容(3.56 cm3g-1)以及分級(jí)結(jié)構(gòu)明顯的孔徑分布。為了進(jìn)一步提高其電化學(xué)性能,利用碳-空白樣品與不同濃度的KMnO4溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng),將不同含量的MnOx粒子嵌入到碳材料的基體中,得到碳-Mnl/Mn2/Mn3樣品。其中,碳-Mn2樣品(碳材料與KMnO4的質(zhì)量比為1：1)表現(xiàn)出最優(yōu)秀的電化學(xué)性能。盡管其孔結(jié)構(gòu)有一定程度的塌陷,它的比電容在電流密度1.0Ag-1下達(dá)到了751.5 F g-1,而原來的碳-空白樣品只有47.8 Fg-1左右。碳-Mn2樣品所增加的比電容主要?dú)w功于MnOx材料發(fā)生法拉第反應(yīng)而產(chǎn)生的贗電容。當(dāng)前所采用的合成方法為有效處理廢舊PVC提供了一條寬廣的道路,特別是在超級(jí)電容器中有著非常廣泛的應(yīng)用前景。3、在該實(shí)驗(yàn)中,使用同步碳化和石墨化的方法來合成具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的納米多孔石墨碳。其中,廢棄的聚偏氟乙烯(PVDF)作為碳前軀體,Ni(NO3)2·6H2O作為石墨化催化劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,碳化溫度對(duì)于納米多孔石墨碳孔的結(jié)構(gòu)及其電化學(xué)性能產(chǎn)生決定性的影響。將炭化溫度從800℃提高到1200℃,其孔隙率有一定的減小,而石墨化程度卻有所提高。此外,隨著溫度的提高,碳材料樣品的比電容雖然有一定程度的減小,但是它的倍率性能和長(zhǎng)周期循環(huán)穩(wěn)定性卻有明顯的提升。接下來,為了進(jìn)一步提高超級(jí)電容器的電化學(xué)性能,首次將鎂試劑(Ⅱ)作為氧化還原添加劑加入到2 mol L-1的KOH電解液中。同時(shí),該實(shí)驗(yàn)也研究了不同含量的鎂試劑(Ⅱ)對(duì)于電化學(xué)性能的影響。其中,在電解液中加入4mmolL-1的鎂試劑(Ⅱ)時(shí),其比電容在電流密度5.0 Ag-1下可以達(dá)到430.1 F g-1,而在不添加鎂試劑(Ⅱ)時(shí)僅有144.5 Fg-1。很明顯,鎂試劑(Ⅱ)與KOH的混合電解液通過氧化還原反應(yīng)極大的提高了電極材料的電化學(xué)性能,因此可以應(yīng)用于高性能的超級(jí)電容器中。
【關(guān)鍵詞】：碳化 高分子材料 贗電容 氧化還原添加劑
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TQ127.11;O646
【目錄】：

• 致謝7-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-18
• 第一章 緒論18-25
• 1.1 超級(jí)電容器簡(jiǎn)介18-20
• 1.1.1 超級(jí)電容器原理及分類18-19
• 1.1.2 超級(jí)電容器的發(fā)展19-20
• 1.2 碳材料電極的分類及特點(diǎn)20-22
• 1.2.1 模板碳20-21
• 1.2.2 碳基復(fù)合物21
• 1.2.3 活性炭21-22
• 1.2.4 碳納米管22
• 1.3 氧化還原電解質(zhì)22-23
• 1.4 廢棄高分子材料的回收利用23-24
• 1.5 本論文的研究?jī)?nèi)容24-25
• 第二章 實(shí)驗(yàn)方法及表征25-30
• 2.1 實(shí)驗(yàn)主要藥品及儀器25-26
• 2.2 材料表征方法26-28
• 2.2.1 X-射線衍射(XRD)26
• 2.2.2 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)26-27
• 2.2.3 激光拉曼光譜儀(Raman)27
• 2.2.4 X射線光電子能譜儀(XPS)27
• 2.2.5 比表面積(BET)和孔徑分析27
• 2.2.6 高分辨率透射電鏡(HRTEM)27-28
• 2.3 電化學(xué)性能測(cè)試28-30
• 2.3.1 電極材料的制備28
• 2.3.2 循環(huán)伏安測(cè)試28
• 2.3.3 恒流充放電測(cè)試28-29
• 2.3.4 交流阻抗測(cè)試29-30
• 第三章 利用含鹵塑料大規(guī)模制備多孔炭及其電化學(xué)性能的研究30-41
• 3.1 引言30
• 3.2 實(shí)驗(yàn)過程30-31
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論31-39
• 3.4 結(jié)論39-41
• 第四章 將PVC轉(zhuǎn)化成MnOx摻雜的多孔炭及其在超級(jí)電容器中的應(yīng)用41-57
• 4.1 引言41-42
• 4.2 實(shí)驗(yàn)過程42-43
• 4.2.1 碳空白樣品的合成步驟42
• 4.2.2 多孔炭/MnO_x復(fù)合材料的合成步驟42-43
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論43-56
• 4.4 結(jié)論56-57
• 第五章 聚偏氟乙烯碳基電容器：通過添加氧化還原電解液鎂試劑(Ⅱ),顯著提高其電容性能57-73
• 5.1 引言57-58
• 5.2 實(shí)驗(yàn)過程58
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論58-71
• 5.4 結(jié)論71-73
• 第六章 結(jié)論與展望73-74
• 6.1 本論文的創(chuàng)新之處73
• 6.2 本論文的結(jié)論73
• 6.3 本論文的展望73-74
• 參考文獻(xiàn)74-83
• 附錄一 攻讀碩士學(xué)位期間獲得的成果83

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