本文關(guān)鍵詞：腐植酸鹽活性炭電極材料的制備及電化學(xué)性能優(yōu)化

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【摘要】：解決能源危機(jī)的關(guān)鍵在于可再生能源的開(kāi)發(fā)與管理。超級(jí)電容器由于其優(yōu)異的性能,如較大的功率密度、良好的循環(huán)穩(wěn)定性、較高的充放電效率,實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能的高效存儲(chǔ)與分配,促進(jìn)了可再生能源的應(yīng)用及推廣。超級(jí)電容器的性能受多方面因素的影響,但是研究的核心內(nèi)容是電極活性材料,因?yàn)樗浅?jí)電容器的重要構(gòu)成部分。而目前熟知的材料中,碳材料是使用最廣泛的,它具有比表面積高、來(lái)源廣泛、環(huán)境友好、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。因此,為了開(kāi)發(fā)出性能更優(yōu)異的新型超級(jí)電容器,必須致力于碳材料電化學(xué)性能增強(qiáng)方面的研究。山西作為我國(guó)的煤炭大省,現(xiàn)正處于經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的特殊時(shí)期。而低品位煤資源的利用,是保證經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。腐植酸是煤炭的主要有機(jī)成分,由它經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的活化工藝制備高價(jià)值的功能碳材料具有非常重要的意義。在利用化學(xué)活化制備活性炭的過(guò)程中,一可以選用外加活化劑,二可以通過(guò)選用帶有鹽離子的有機(jī)物自活化。除通過(guò)活化增加比表面積以外,還可以通過(guò)調(diào)節(jié)孔徑或在表面引入雜原子的方法來(lái)提高活性炭的電化學(xué)性能。因而,本文以腐植酸鹽為原材料,通過(guò)對(duì)不同碳源和不同類(lèi)別活化劑的選擇、優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)制備高性能的超級(jí)電容器電極材料。主要研究?jī)?nèi)容如下:1、以腐植酸鉀(HA-K)、硝基腐植酸(HA-N)、腐植酸鈉(HA-Na)分別為碳質(zhì)前驅(qū)體,在800℃的N2氛圍下碳化成不同的多孔炭,利用循環(huán)伏安法(CV)和恒流充放電法(GCD)進(jìn)行測(cè)試。在0.1 A·g-1的電流密度下,三種多孔碳C-K、C-N、C-Na的比電容分別為122 F·g-1,117 F·g-1,81 F·g-1。因此,下一步工藝以HA-K為碳質(zhì)前驅(qū)體。2、以HA-K為碳質(zhì)前驅(qū)體,分別選用具有不同活化機(jī)理的乙酸鉀(CH3COOK)、氫氧化鉀(KOH)、碳酸鈣(Ca CO3)為活化劑,研究這些活化反應(yīng)對(duì)產(chǎn)物活性炭結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明:當(dāng)以CH3COOK為活化劑時(shí),形成的活性炭CK-CH3COOK具有最高的比表面積(1160 cm2·g-1),且孔徑主要為微孔;在2 M KOH中比電容高達(dá)270 F·g-1,而CK-KOH、CK-CaCO3分別為206 F·g-1、106 F·g-1。由此可以看出,CH3COOK是最優(yōu)活化劑。3、以HA-K為前驅(qū)體,CH3COOK為活化劑,通過(guò)調(diào)整HA-K/CH3COOK比例來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)活性炭的優(yōu)化,并測(cè)試了其在三種典型的水系電解液H2SO4、KOH、Na2SO4中的電化學(xué)行為。這些活性炭的比表面積、孔體積與未活化的相比,增加了790 m2·g-1和0.358 cm3·g-1。其中樣品CK-2(質(zhì)量比,腐植酸鉀:乙酸鉀=1:2)的孔徑尺寸集中在0.5 nm左右,這和電解液離子或溶劑化離子K+/OH-的尺寸更匹配,因此在2 M KOH電解液中,展示出最佳的電化學(xué)性能,比電容為311 F·g-1。此外,樣品CK-2表面含有一定量的N/O官能團(tuán),提供了額外的贗電容效應(yīng),因此高的比電容是由雙電層電容和贗電容協(xié)同作用的結(jié)果。由樣品CK-2組成的對(duì)稱(chēng)電容器,在經(jīng)過(guò)10000次的循環(huán)以后,比電容依然很穩(wěn)定,展示了其優(yōu)良的實(shí)際應(yīng)用潛力。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TM53;O646

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1307731