生物質(zhì)碳材料制備及其電化學(xué)性能的研究.pdf

1、在過去的二十多年中，超級(jí)電容器由于具有高的功率密度、長的循環(huán)壽命和快速充/放電效率得到了科研人員的廣泛關(guān)注。到目前為止，具有高電導(dǎo)率、電化學(xué)穩(wěn)定性能和高比表面的多孔碳材料被認(rèn)為是雙電層電容器最有前景的電極材料。在多孔碳基材料中，具有高比表面積和發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的活性碳常作為超級(jí)電容器的電極材料。制備活性碳的前驅(qū)體多種多樣，其中生物質(zhì)材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、成本低、可再生和環(huán)境友好的特點(diǎn)，使其成為活性碳前驅(qū)體的熱門選擇。在本篇論文中，以木耳為碳源

2、，分別采用KOH水熱-活化法和氮摻雜活化法制備了多孔碳材料和氮摻雜多孔碳材料。使用SEM、TEM、XRD、BET、XPS、Roman和TGA等一系列表征手段來詳細(xì)研究了不同的制備工藝對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能的影響，并分別在三電極和兩電極體系中詳細(xì)考察材料的電化學(xué)性能。具體研究內(nèi)容如下：
　　（1）以木耳碳源，經(jīng)過水熱-碳化處理得到了多孔碳材料（HTA），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水熱處理的碳材料電化學(xué)性能明顯提高。在掃描速度為2 mV·s-

3、1時(shí)，HTA的比容量為183 F·g-1，當(dāng)掃速增至500 mV·s-1時(shí)，HTA的比容量為105F·g-1，容量保持率為57.6％，說明HTA具有較高的比容量和優(yōu)異的倍率特性。
　?。?）以木耳為碳源，分別采用KOH水熱-活化法制備了多孔碳材料(KHTA)，少量KOH的加入不僅促進(jìn)了木耳內(nèi)生物高分子的聚合，并在后續(xù)的活化過程中實(shí)現(xiàn)了碳材料的均勻活化，使該材料具有較高的比表面積和適宜的孔分布，因此材料具有高的容量和倍率特性。在掃速

4、為2 mV·s-1時(shí)，KHTA-0.1-800-1的比容量可達(dá)323 F·g-1，體積比容量高達(dá)309 F·cm-3，當(dāng)掃速增至500 mV·s-1時(shí)，其比容量保持率可以達(dá)到64%。在200 mV·s-1下，經(jīng)過10000次循環(huán)后，KHTA-0.1-800-1的比容量僅衰減了1%。此外，我們采用KHTA-0.1-800-1電極組裝了對(duì)稱超級(jí)電容器，在1 mol·L-1NaSO4電解液中，在功率密度為86.2 W·kg-1時(shí)，對(duì)稱電容器的

5、能量密度最高可達(dá)21.6 Wh·kg-1。
　?。?）以木耳為碳源，NH4Cl為氮源，采用原位摻雜法制備了氮摻雜碳材料（NAC），在掃速為2 mV·s-1時(shí)，NAC比容量最高為208.3 F·g-1，比木耳碳化后制備的碳材料的容量提高了70 F·g-1，說明摻雜氮原子可以有效提高碳材料比容量。
　?。?）以木耳為碳源，NH4Cl為氮源，ZnCl2為活化劑制備了氮摻雜的多孔碳材料(ZnNAC-2)。通過ZnCl2活化可以增加材

6、料內(nèi)部中孔和大孔的比例，而適量的N原子的引入可以改善碳材料的表面浸潤性，因此可以顯著提高了多孔碳材料的比容量和倍率特性。在掃速為2 mV·s-1時(shí)，ZnNAC-2的比容量可達(dá)264.2F·g-1，當(dāng)掃速為500mV·s-1時(shí)，ZnNAC-2的比容量為165.3 F·g-1，容量保持率為62.3%，說明ZnNAC-2材料具有高的比容量和優(yōu)異的倍率性。同時(shí)，ZnNAC-2材料還具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，該材料在6 mol·L-1 KOH溶液中，