發(fā)布時間：2016-12-22 10:56

  本文關鍵詞：可再生資源制備的碳氣凝膠及其復合電極材料的電化學性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《山東大學》 2015年

可再生資源制備的碳氣凝膠及其復合電極材料的電化學性能研究

郝品  

【摘要】：超級電容器作為一種新型的能源存儲器件,填補了電池和傳統(tǒng)電容器之間的空白。但是超級電容器由于能量密度較低并且制備成本較高,大大限制了其應用范圍。因此以價格低廉的原料制備具有高性能的超級電容器電極材料是超級電容器領域最重要的研究方向。采用可再生天然高分子及其衍生物為原材料制備分級多孔的碳材料不但可以有效的減少電極材料的制備成本,而且符合可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展的要求。本論文首先采用工業(yè)廢棄物甘蔗渣及甲殼類動物外殼提取物殼聚糖為原料通過成分和孔徑結構調(diào)控制備了分級多孔的碳氣凝膠,用于高性能雙電層超級電容器。并將雙電層電容器電極材料與贗電容器電極材料進行復合,通過結構設計和成分調(diào)控制備了多孔碳氣凝膠—無機納米陣列混合超級電容器電極材料,實現(xiàn)了高性能混合超級電容器電極材料的制備。纖維素是自然界中儲存量最多的天然有機聚合物。本論文首次采用蔗糖工業(yè)廢棄物甘蔗渣為原料經(jīng)過提純制備出了纖維素,然后通過纖維素溶解、再生、冷凍干燥、高溫碳化和KOH活化等過程制備出了分級多孔的碳氣凝膠。纖維素氣凝膠在冷凍干燥過程中形成大孔和介孔,后期活化過程中由于KOH與碳的腐蝕反應在大孔和介孔的碳壁上留下了大量的微孔,從而形成了分級多孔的網(wǎng)絡結構。并通過線性相關分析發(fā)現(xiàn)電極材料的電荷儲存能力受微孔體積的影響,而介孔體積則更大程度地決定材料的大電流充放電能力。不同活化溫度下制備的碳氣凝膠具有不同的比表面積和孔體積,并且由于氣凝膠中無定碳的含量不同而使其導電性也各不相同。當活化溫度為700℃,活化劑與碳材料質(zhì)量比為3：1時制備的碳氣凝膠具有最優(yōu)異的電化學性能。在固體電解質(zhì)中兩電極測試體系的比電容最高可達到142.1 F g-1,經(jīng)5000次連續(xù)充放電后,電容保持率高達93.9%。當功率密度為500 W kg-1時,其能量密度可達到19.74Wh kg-1。殼聚糖是繼纖維素之后自然界中普遍存在的第二大天然有機聚合物。本論文首次采用殼聚糖為原料經(jīng)過溶解、冷凍干燥、碳化以及KOH活化制備出了分級多孔的含氮石墨烯基碳氣凝膠。殼聚糖溶解于醋酸溶液中,醋酸中的羰基氧可以與殼聚糖分子形成氫鍵,形成平面網(wǎng)絡結構。在快速冷凍和冷凍干燥的過程中,殼聚糖溶液的表面張力使其組裝成薄膜結構,進而彼此相連形成三維網(wǎng)絡結構。碳化后,殼聚糖平面網(wǎng)絡結構中的碳原子原位形成石墨烯層,而無序連接的殼聚糖分子則被碳化為無定形碳。由于殼聚糖分子中含有氨基,碳化后氮原子仍然保留在結構中形成了含氮石墨烯基碳氣凝膠。不同活化溫度下得到的碳氣凝膠中無定形碳的含量是不同的。當活化溫度為800℃時,大部分的無定形碳被KOH腐蝕,留下了含有大量納米孔的無定形碳顆粒分散在石墨烯層中形成石墨烯—無定形碳—石墨烯復合三明治結構。石墨烯可以增加材料的導電性,納米孔有利于電荷儲存,因此800℃活化溫度下得到的碳氣凝膠由于既具有含有大量納米孔的無定形碳,同時又具有導電性較好的石墨烯層,展現(xiàn)出了最優(yōu)異的電化學性能。另外,樣品中含氮官能團和含氧官能團也可以有效提高樣品的電化學性能。使其在兩電極固體電解質(zhì)中的比電容可達到197 Fg-1。當功率密度為400Wkg-1時,其能量密度可達到27.4 Wh kg-1。本論文為利用天然可再生有機聚合物及其衍生物制備具有分級多孔的碳材料提供了一種切實可行的制備路線。雖然采用甘蔗渣和殼聚糖制備的多孔碳具有優(yōu)秀的雙電層電化學行為,但是由于比表面積等的限制,比電容一般只有50～200 Fg-1。因此,本研究通過結構設計和組分調(diào)控成功將具有較高理論贗電容的一維無機納米結構組裝在多孔碳氣凝膠的表面,實現(xiàn)了對雙電層-贗電容混合超級電容器電極材料的性能調(diào)控。首先通過水熱和熱處理制備了MnCo2O4.5納米針／碳氣凝膠復合結構,研究了不同前驅液濃度下制備的復合結構的形貌、組成及電化學性能。當納米針負載量較少時,碳氣凝膠的表面不能被MnCo2O4.5納米針全部覆蓋。納米針帶來的正面效應與負面效應相抵消,其性能與石墨烯基碳氣凝膠相比無明顯變化。增加前驅液的濃度,碳氣凝膠的表面完全均勻地覆蓋了一層MnCp2O4.5納米針。MnCo2O4.5納米針垂直牢固的組裝在碳氣凝膠的表面,有利于加快MnCo2O4.5納米針和碳氣凝膠之間的電荷轉移。繼續(xù)增加前驅液的濃度,碳氣凝膠的表面負載過多的MnCo2O4.5納米針,不僅使碳氣凝膠的表面被完全覆蓋,而且還堆積了大量多余的納米針結構。過多的MnCo2O4.5納米針阻塞了碳氣凝膠的網(wǎng)絡結構,而且由于無機納米針之間較高的界面電阻,導致樣品的電化學性能較差。采用最佳前驅液濃度下制備的MnCo2O4.5納米針/碳氣凝膠復合結構為電極材料組裝的對稱超級電容器在中性電解液中的工作電壓范圍可以達到1.5 V,因此其在0.2Ag-1下的能量密度可以達到84.3 Wh kg-1。然后本研究還通過水熱和后期熱處理或者硫化處理成功制備了NiCO2O4納米針/碳氣凝膠和NiCo2S4納米管/碳氣凝膠復合結構。一維Ni-Co納米結構與碳氣凝膠的表面緊緊連接在一起,加快了兩種材料之間的電荷轉移。由于作為骨架的碳氣凝膠具有分級多孔的網(wǎng)絡結構,因此制備的NiCo2O4納米針/碳氣凝膠和NiCo2S4納米管/碳氣凝膠復合結構與純NiCo2O4和NiCo2S4相比具有較好的快速充放電能力。另外,NiCo2S4中空的管狀結構可以為電解液和活性物質(zhì)之間提供更多的反應位點,并且具有高于NiCo2O4兩個數(shù)量級的電導率,使NiCo2S4納米管/碳氣凝膠復合結構展現(xiàn)出了優(yōu)于NiCo2O4納米針/碳氣凝膠的電化學性能。因此,本研究為將一維納米結構組裝到基底材料上制備復合結構提供了一條有效途徑。本研究以工業(yè)和生活廢棄物提取的天然高分子為主要原料制備了具有高性能的超級電容器電極材料。通過對碳氣凝膠晶體結構和孔道結構及其相關電學特性的調(diào)控,成功制備了高性能多孔碳雙電層超級電容器電極材料,并通過將其與贗電容器電極材料進行組裝,利用組分、形貌及界面調(diào)控實現(xiàn)了高效混合型超級電容器的制備。論文從性能設計,化學合成和結構調(diào)控,以及將不同電容器材料復合,進行了深入的理論和實驗研究,并獲得了高性能的超級電容器電極材料。對低成本高性能超級電容器的設計和制備具有重要的參考價值。

【關鍵詞】：
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TQ427.26;TM53
【目錄】：

下載全文 更多同類文獻

CAJ全文下載

(如何獲取全文？ 歡迎：購買知網(wǎng)充值卡、在線充值、在線咨詢)

CAJViewer閱讀器支持CAJ、PDF文件格式

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 韓松,管正捷,古可隆,劉軍利;石油焦制高比表面積粉狀活性炭[J];石油化工;2000年03期

【共引文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 許斌,李鐵虎;中間相瀝青的調(diào)制對納米級微孔超高表面積活性炭性能的影響[J];材料科學與工藝;2003年04期

2 詹亮,李開喜,朱星明,宋燕,呂春祥,凌立成;超級活性炭儲氫性能研究[J];材料科學與工程;2002年01期

3 楊裕生;曹高萍;;電化學電容器用多孔炭的性能調(diào)節(jié)[J];電池;2006年01期

4 沈丁;楊紹斌;;酚醛樹脂制備超級電容器電極材料[J];電子元件與材料;2008年05期

5 許成功;;高比表面積活性炭的制備及其儲氫性能的研究進展[J];化學教育;2006年09期

6 王晶;孫扶;仲建峰;方舟;董擎之;;Preparation of Chitosan-g-PAM PS in H_2O/scCO_2 Inverse Emulsion[J];Journal of Donghua University(English Edition);2013年03期

7 陳銘德;吐爾迪·吾買爾;康雪雅;宋懷河;張璐;王歡歡;;電解液對棉稈基活性炭超級電容器性能的影響[J];電池工業(yè);2013年Z1期

8 陳群超;李小雪;黃建穎;周雁;;殼聚糖及其衍生物涂膜處理對芥菜品質(zhì)的影響[J];北方園藝;2013年20期

9 Bahman Rahimi-Esboei;Mahdi Fakhar;Aroona Chabra;Mahboobeh Hosseini;;In vitro treatments of Echinococcus granulosus with fungal chitosan,as a novel biomolecule[J];Asian Pacific Journal of Tropical Biomedicine;2013年10期

10 J.V.Thombare;M.C.Rath;S.H.Han;V.J.Fulari;;The influence of monomer concentration on the optical properties of electrochemically synthesized polypyrrole thin films[J];Journal of Semiconductors;2013年10期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 吳曉萍;王濤;毛偉杰;;分子印跡交聯(lián)殼聚糖樹脂對五種貝肉勻漿液中鎘的脫除效應[A];熱帶海洋科學學術研討會暨第八屆廣東海洋湖沼學會、第七屆廣東海洋學會會員代表大會論文及摘要匯編[C];2013年

2 王芳;郝建薇;;竹基多孔碳材料的制備及其阻燃環(huán)氧樹脂的應用[A];2014年全國阻燃學術年會會議論文集[C];2014年

3 原長洲;張校剛;;多級納微超級結構電極材料的設計、合成及其超電容性能[A];中國化學會第29屆學術年會摘要集——第24分會：化學電源[C];2014年

4 胡靜;王旭歌;肖作兵;;天然精油納米膠囊對冷鮮牛肉的保鮮研究[A];第十屆中國香料香精學術研討會論文集[C];2014年

5 張煥;朱霄;;殼聚糖在1-丁基-3-甲基咪唑氯離子液體及其DMF溶液中的溶解性能研究[A];2015年中國化工學會年會論文集[C];2015年

6 辛凡文;李克健;王洪學;周升;桑磊;;高比表面活性炭的研究進展及應用現(xiàn)狀[A];2015年中國化工學會年會論文集[C];2015年

7 趙巖;袁壽其;李華明;;鈷酸錳納米花的制備及其電化學性能研究[A];2015年中國化工學會年會論文集[C];2015年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 高博;苯磺酸功能化碳納米管基復合材料的制備及其超電容特性[D];南京航空航天大學;2010年

2 張治安;基于氧化錳和炭材料的超級電容器研究[D];電子科技大學;2005年

3 慈穎;基于碳材料和氧化釕超級電容器的研究[D];中國科學院研究生院（理化技術研究所）;2007年

4 鮑祺;硫酸鹽還原菌腐蝕機理及復合殺菌劑的研究[D];中國科學院研究生院（海洋研究所）;2012年

5 湯虎;基于低溫溶解制備的甲殼素新材料[D];武漢大學;2012年

6 彭湃;竹材主要化學成分及其點擊化學和開環(huán)共聚研究[D];華南理工大學;2013年

7 張金輝;超級電容器復合電極材料制備及電化學性能研究[D];燕山大學;2013年

8 程沁園;殼聚糖止血活性及其生物安全性評價研究[D];江南大學;2013年

9 馬方奎;基于殼聚糖PLGA納米載體的構建及其水解釋藥研究[D];中國海洋大學;2013年

10 梁鵬;稀土改性殼聚糖樹脂的制備、表征及對氟離子的吸附特性研究[D];中國海洋大學;2013年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 吳顏;煉油廠含油污泥與高硫石油焦混合制漿共氣化的研究[D];華東理工大學;2011年

2 沈秋惠;酚醛樹脂基球形活性炭的制備及其對酸性染料吸附脫色的初步研究[D];東華大學;2011年

3 王新征;活性炭材料的制備與研究[D];河北工業(yè)大學;2003年

4 范慧;瀝青催化聚合及微孔炭制備研究[D];南京工業(yè)大學;2004年

5 楊坤彬;提金活性炭制備新技術的研究及孔結構解析[D];昆明理工大學;2005年

6 周冬蘭;鉛酸/活性炭混合超級電容器的研究[D];南昌大學;2007年

7 韓露;山西典型煤種制備超級活性炭的正交試驗研究[D];太原理工大學;2008年

8 畢文英;LiMn_2O_4/AC體系電化學混合電容器的研究[D];天津大學;2007年

9 姚國富;NaOH活化法制備石油焦基電化學電容器炭電極材料[D];天津大學;2007年

10 姚遠;石油焦改性制備脫硫吸附催化劑的研究[D];山東大學;2008年

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張寧;朱紅;康曉紅;張生生;;直接甲醇燃料電池用碳氣凝膠載鉑催化劑的研究[J];化工時刊;2006年04期

2 宓軼捷;沈軍;歐陽玲;韓偉娜;周斌;吳廣明;倪星元;牛錫賢;汪國慶;;摻鎳碳氣凝膠的特性研究[J];材料導報;2008年S1期

3 歐陽玲;沈軍;周斌;侯今強;宓軼捷;張志華;吳廣明;;用于儲氫材料的碳/摻雜碳氣凝膠研究[J];原子能科學技術;2008年05期

4 周瑩;唐永建;王朝陽;;碳/摻雜碳氣凝膠及其研究進展[J];材料導報;2010年07期

5 郭志軍;朱紅;張新衛(wèi);;碳氣凝膠的制備及結構[J];北京交通大學學報;2010年06期

6 何蕊;劉振法;;新型碳氣凝膠的制備及表征[J];河北科技大學學報;2013年01期

7 張拴勤,王玨,周斌;碳氣凝膠的制備及其物性研究[J];同濟大學學報(自然科學版);1999年04期

8 黃小麗;付志兵;易勇;唐永建;王朝陽;;鎳摻雜碳氣凝膠的脈沖電沉積法制備及表征[J];原子能科學技術;2014年03期

9 本刊綜合;;“世界上最輕材料”——全碳氣凝膠[J];晚霞;2013年10期

10 沈軍;薛輝;吳廣明;周斌;;碳氣凝膠的微結構控制[J];同濟大學學報(自然科學版);2007年06期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 符若文;雷勇強;;碳氣凝膠的制備及應用于超級電容的研究[A];2004年中國材料研討會論文摘要集[C];2004年

2 徐翔;周斌;杜艾;劉春澤;沈軍;吳廣明;倪星元;張志華;;微尺寸碳氣凝膠的制備及其機械性能研究[A];第五屆北京核學會核技術應用學術交流會論文集[C];2008年

3 崔丹妮;張志賓;曹小紅;劉云海;;原位磺酸化全碳氣凝膠及其對鈾(Ⅵ)的吸附性能研究[A];第十三屆全國核化學與放射化學學術研討會論文摘要集[C];2014年

4 劉棟;馬紅彥;沈思婷;徐云龍;李會平;;常壓干燥制備碳氣凝膠及其結構與性能研究[A];2006年全國高分子材料科學與工程研討會論文集[C];2006年

5 陳勝洲;楊偉;郭娟;劉自力;林維明;;鈷摻雜含氮碳氣凝膠的制備及性能研究[A];第二十八屆全國化學與物理電源學術年會論文集[C];2009年

6 張拴勤;王玨;周斌;蔣偉陽;賴珍荃;陳玲燕;;碳氣凝膠的納米多孔微結構研究[A];第三屆中國功能材料及其應用學術會議論文集[C];1998年

7 宓軼捷;沈軍;周斌;侯今強;歐陽玲;韓偉娜;;摻鎳碳氣凝膠用于ICF實驗的研究[A];第九屆中國核靶技術學術交流會摘要集[C];2007年

8 陳勝洲;楊偉;鄒漢波;劉自力;;碳氣凝膠前處理對其負載PtRu催化劑性能影響[A];第六屆全國工業(yè)催化技術及應用年會論文集[C];2009年

9 歐陽玲;周斌;侯今強;宓軼捷;沈軍;吳廣明;倪星元;;ICF用碳氣凝膠微結構控制和吸附性能研究[A];第九屆中國核靶技術學術交流會摘要集[C];2007年

10 袁磊;王朝陽;唐永建;;MnO_2/碳氣凝膠復合電極材料的制備與性能研究[A];第十屆中國核靶技術學術交流會摘要集[C];2009年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 記者 朱涵;[N];新華每日電訊;2013年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 常新紅;天然高分子基有機及碳氣凝膠的制備、結構和性質(zhì)研究[D];山東大學;2009年

2 袁磊;碳氣凝膠儲能電容電極材料的制備與性能研究[D];中國工程物理研究院;2011年

3 郝品;可再生資源制備的碳氣凝膠及其復合電極材料的電化學性能研究[D];山東大學;2015年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前9條

1 劉璇;新型碳氣凝膠的制備及表征[D];河北工業(yè)大學;2014年

2 孫文童;碳氣凝膠電吸附水中F~-的研究[D];北京林業(yè)大學;2014年

3 劉羽熙;碳氣凝膠復合電極材料的制備及性能研究[D];黑龍江大學;2009年

4 計亞軍;碳氣凝膠的合成及在超級電容器電極材料中的應用[D];南京航空航天大學;2007年

5 傅曉燕;碳氣凝膠/金屬氧化物復合材料的制備和電化學性能研究[D];西南科技大學;2015年

6 張立杰;基于海藻酸鈉的碳氣凝膠材料的制備及結構性能研究[D];青島大學;2015年

7 劉西川;超級電容器碳氣凝膠電極材料制備與性能研究[D];西華大學;2012年

8 李悅;超級離子電容器復合碳氣凝膠電極特性的研究[D];電子科技大學;2004年

9 徐榕青;超級離子電容器碳/氧化鎳復合氣凝膠電極材料的研究[D];電子科技大學;2003年

  本文關鍵詞：可再生資源制備的碳氣凝膠及其復合電極材料的電化學性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

，

本文編號：223318