電極材料是影響超級電容器(ECs)和鋰硫(Li-S)電池性能的主要因素。由于碳材料價格低廉、來源廣泛、理化性能穩(wěn)定等,廣泛應用于冶金、陶瓷、催化劑、氣體吸附劑和電極材料等領(lǐng)域。目前,采用生物質(zhì)替代傳統(tǒng)的礦物原料并將其衍生為多孔碳材料,不僅能夠優(yōu)化材料的性能,而且可以達到經(jīng)濟環(huán)保的共贏作用。因而受到研究者的廣泛關(guān)注。本論文從可再生生物質(zhì)廢棄物——棕櫚殼(PKS)出發(fā),將其作為廉價碳源,經(jīng)過初步碳化和氫氧化鉀(KOH)化學活化,有目的地提出一種簡單而有效的方案以制備棕櫚殼多孔活性碳材料,利用掃描電鏡(SEM)、氮氣吸附法(BET)、碘值測定等手段對碳材料進行形貌、結(jié)構(gòu)和性能的研究,并將它們應用于超級電容器和鋰硫電池正極材料。本文研究的主要內(nèi)容如下:(1)以可再生生物質(zhì)棕櫚殼為碳源,經(jīng)過初步碳化和以KOH為活化劑的化學活化,制備出棕櫚殼多孔活性碳材料,其比表面積高達2760 m2g 1,碘吸附值可達1100 m2 g-1。碳材料收率,比表面積及孔體積,碘吸附值和微觀形貌等的影響因素主要來自于堿碳比,活化溫度等工藝參數(shù),通過對其進行深入探討,確定了當堿碳比為4:1,活化溫度為900 ℃時,其制備工藝最佳。棕櫚殼活化后所得多孔活性碳材料仍屬于無定型碳,主要含有C、H、O和少量S、N元素。(2)將制備的棕櫚殼多孔活性碳應用于超級電容器。棕櫚殼不僅作為低成本的碳源,其豐富的纖維素,木質(zhì)素等成分更為最終產(chǎn)物提供了氮、硫、磷等雜原子。雜原子的存在不僅提供了氧化還原贗電容,也有利于抑制碳材料表面部分含氧官能團在充放電過程中發(fā)生的不可逆變化。受益于多孔結(jié)構(gòu)及其組成的協(xié)同作用,所制備的棕櫚殼衍生N,S,P共摻雜多孔活性碳表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。在3.0 mol L-1的KOH電解質(zhì)溶液中,三電極體系在電流密度為1.0 A-1時其比電容(Cs)可達380 Fg-1,并且具有良好的倍率性能以及循環(huán)穩(wěn)定性;此外,所制備的對稱超級電容器在1.0 Ag-1的電流密度下也具有優(yōu)異的循環(huán)性能,且在398.4 W kg-1的功率密度下其最大能量密度為27.6 Wh kg-1。(3)將制備的棕櫚殼多孔活性碳材料作為鋰硫電池正極材料的導電框架,所得多孔碳/硫復合電極具有高比容量,良好的速率能力和穩(wěn)定的循環(huán)性能。在200 mA g-1的電流密度下,具有60%硫含量的多孔碳/硫復合電極的初始放電容量為1045 mAh g1。在800 mA g-1的電流密度下,多孔碳/硫復合電極在1000次循環(huán)中顯示出66%的容量保持率,其庫侖效率保持在約99%。良好的電化學性能歸因于多孔碳優(yōu)異的結(jié)構(gòu)參數(shù),超高比表面積和大孔體積不僅提高硫含量,而且確保元素硫在導電骨架中的分散,從而提高硫的利用率,同時多孔碳的孔結(jié)構(gòu)可以在充放電過程中有效抑制多硫化物的擴散。
【學位單位】：揚州大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TK6;TM53;TM912
【部分圖文】：

印度尼西亞地區(qū)），我國臺灣、海南島等地亦有大量種植。目櫚種植園，大部分在東盟地區(qū)，其中馬來西亞單獨提供了?５００櫚油從其果實中提取，提取后會產(chǎn)生大量的廢棄物，如纖維，等。僅僅在馬來西亞，大約３６２家棕櫚油廠每年處理約８２００約３３００萬噸廢棄物，每年生產(chǎn)超過７．８噸／公頃的加工鮮果，除。??（Ｐａｌｍ?Ｋｅｒｎｅｌ?Ｓｈｅｌｌ，?ＰＫＳ）是從果肉中抽取果核，然后將果核是棕櫚殼，是一種干固體廢棄物。棕櫚殼是棕櫚油生產(chǎn)過程中產(chǎn)２０２０年，僅僅馬來西亞將生產(chǎn)總共１億噸／年的生物質(zhì)廢棄物，，棕櫚殼廢棄物會在分解過程中引起氣味惡劣，傾倒和有害甲為生物能源直接燃燒，能源回收利用和生產(chǎn)多孔活性碳等可解人員共同研宄的結(jié)果。由于ＰＫＳ廢棄物資源龐大，這對于增。??Ｃｅ�。欤酰螅�?：?，??

的Ｈ２０?（式（１））和Ｃ０２?（式（３）和（６））的形成通過碳氣化進一步發(fā)展孔隙率［４１］，即??物理活化（式（２）和（７））；?（ｃ）所制備的金屬Ｋ?（式（５），?（８）和（９））在活化期間有??效插入碳基體的碳晶格，導致碳晶格的膨脹［４２］，如圖１－２。通過洗滌以除去插層中的金屬??Ｋ和其他Ｋ化合物后，膨脹的碳晶格不能恢復到之前的無孔結(jié)構(gòu)，因此產(chǎn)生了大的比表面??積和孔體積所需的多孔結(jié)構(gòu)。??Ｃａｒｂｏｎ?ｌａｔｔｉｃｅ?Ｍｅｔａｌｌｉｃ?ｐｏｔａｓｓｉｕｍ?ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｅｄ?Ａｃｔｉｖａｔｅｄ?ｃａｒｂｏｎ??ｉｎｔｏ?ｔｈｅ?ｃａｒｂｏｎ?ｆａｔｔｉｃｃ??圖１－２通過金屬Ｋ滲透到碳晶格中的活化機理，通過插入的金屬Ｋ膨脹晶格以及從碳基質(zhì)中去除插入??的?ｋ［４２］??在ＫＯＨ活化碳中，大比表面積和高孔隙率的發(fā)展是由金屬Ｋ插入的協(xié)同綜合作用，??包括化學活化，物理活化和碳晶格擴展的結(jié)果。然而，真正的反應過程和活化機理不僅取??決于活化參數(shù)（即ＫＯＨ的量，活化溫度等），而且還取決于各種碳源的反應性�；罨瘏�(shù)??和碳源對孔隙微觀結(jié)構(gòu)和表面化學性質(zhì)有顯著的影響，這進一步影響了從吸附到電能儲存??的許多應用中ＫＯＨ活化碳的性能。因此，活化程序所產(chǎn)生令人期望的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的多孔??活性碳

?Ｃ２??圖１－４基于多孔電極材料的電化學雙層電容器示意圖ｌ４３］??如圖１－４示意圖所示，在充電過程中，雙電層電容器（ＥＤＬＣ）的正表面吸引電解質(zhì)的??陰離子，而陽離子聚集在負電極的表面上ｔ５３］。電解質(zhì)離子接近電極材料，但與其不發(fā)生反??應或不被吸收。其電容則取決于電極的比表面積，電解質(zhì)的類型和雙電層的有效厚度（德??拜長度），根據(jù)下式：??Ｃ＝字?（１）??ｄ??其中Ｃ是ＥＤＬＣ的電容，＆是電解質(zhì)介電常數(shù)，ＳＱ是真空介電常數(shù)，ｄ是雙電層的有??效厚度（電荷分離間距），Ａ是電極比表面積。??只有電解質(zhì)離子可接觸的電極表面才有助于電荷存儲，因此，需要優(yōu)化電極材料的孔??徑，孔結(jié)構(gòu)，表面性質(zhì)和導電性才有助于提高雙電層電容。這種存儲機制允許其在數(shù)百萬??次充電／放電循環(huán)期間產(chǎn)生非常快速的能量吸收和輸送以及保證ＥＤＬＣ的高穩(wěn)定性１５２］。??與ＥＤＬＣ相比
【參考文獻】

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本文編號：2856911