超級電容器用豆粕活性炭電極材料的制備及其儲能行為研究.pdf

1、超級電容器是一種介于傳統(tǒng)介質電容器與電池之間的新型儲能元件，與傳統(tǒng)電容器相比具有高的能量密度，與電池相比具有高的功率密度及超長壽命，作為能儲裝置具有廣闊的應用前景和巨大的經(jīng)濟價值。碳質材料因其高的比表面積、制備工藝簡單、微結構易調節(jié)、形式多樣以及具有良好的導電性及電化學穩(wěn)定性廣泛用于超級電容器電極材料。生物質材料可再生、來源廣泛且價格低廉，是制備多孔碳材料的首選碳源，研究和開發(fā)具有高比表面積及發(fā)達孔隙結構的多孔碳材料成為超級電容器電極材

2、料的研究熱點。
　　大豆豆粕是大豆加工副產(chǎn)物，可再生、來源廣泛、價格低廉。特別是其富含N、O等雜質原子，預示其在制備高比表面積活性炭方面具有獨特優(yōu)勢。本學位論文旨在利用豆粕中所富含N、O等非碳元素在高溫下不穩(wěn)定、易反應分解逸出的特點，探索獲得高比表面積活性炭的技術路徑。主要的研究工作和結果如下：
　　(1)利用生物質中非碳原子高溫下易分解逸出促進發(fā)達孔隙形成的特點，選用KOH和ZnCl2為活化劑，研究探索利用少量活化劑一步法

3、制備具有高比表面積及發(fā)達孔隙結構的大豆豆粕活性炭，并對其在堿性電解液中的電容特性進行了系統(tǒng)研究。
　　結果表明：采用一步法制備豆粕活性炭，使用少量KOH活化劑、在較低溫度下可獲得比表面積較高、孔隙結構較發(fā)達的的碳材料。如：活化溫度為700℃、KOH與豆粕活化比為1:1時所得豆粕活性炭的比表面積為2664m2g-1，孔體積為1.509cm3g-1，為微/中孔復合結構，在KOH電解液中，掃速為5mVs-1時比電容可達195F g-1。

4、
　　利用ZnCl2作為活化劑可制備富含N元素的豆粕活性炭?；罨瘻囟葹?50℃、ZnCl2與豆粕活化比為1:1時，所得富N豆粕活性炭的比表面積為1091m2g-1，孔體積為0.562cm3g-1，具有微/中孔復合分級孔結構，在6M KOH電解液中，掃速為5mVs-1時比電容為145F g-1。
　　(2)利用兩步法（預碳化+KOH活化）制備大豆豆粕活性炭，通過預碳化將大豆豆粕轉化為具有初步孔隙結構、由基本石墨微晶構成的生物質

5、焦炭，然后通過KOH對石墨層間的作用獲得具有分級孔結構且超高比表面積的豆粕活性炭材料。
　　結果表明：經(jīng)預碳化后，形成的豆粕焦炭具有一定的強度及初步的孔隙結構，高溫條件下（溫度高于700℃）KOH活化，活化過程存在CO2與水蒸氣的物理活化、K2CO3與K2O的二次活化以及K及其化合物在石墨層間形成層間化合物，活化后所得豆粕活性炭隨著KOH活化溫度的升高及活化比的增大其比表面積先增大后減小，總的孔體積不斷增大，其孔徑由微孔逐漸向中孔

6、過渡。
　　當活化溫度為800℃，KOH與豆粕焦炭活化比為3:1時，豆粕活性炭的比表面積最高，達到3798m2g-1，孔體積為2.638m3g-1，孔徑由1~2nm的微孔與3~5nm的中孔構成，掃速為2mVs-1時，在水系電解液和有機電解液中的比電容分別達到300和211F g-1，表現(xiàn)出良好的功率特性和循環(huán)穩(wěn)定性，在循環(huán)充放電10000次過后，在水系電解液和有機電解液中其比電容的衰減分別為3％和15%。
　　(3)針對高比

7、表面積豆粕活性炭，分別進行O、N元素的摻雜，系統(tǒng)研究了摻雜處理對活性炭微觀結構、比表面積、孔隙以及電容特性的影響。
　　結果表明：具有超高比表面積的活性炭的孔結構主要是由1~2層的石墨烯片層搭接而成，采用硝酸作為摻氧劑進行氧摻雜時，活性炭微觀結構發(fā)生坍塌，致使比表面積降低，微孔增多而中孔減少，中孔孔徑由3~5nm降低到2~4nm，從而導致活性炭在KOH電解液中的比電容和功率特性均有所下降。通過比較分析硝酸、過氧化氫與過硫酸銨的摻氧

8、效果，認為利用氧化劑進行氧摻雜時，應充分考慮碳材料的結構強度與氧化劑的氧化性之間的匹配性。合理選用與碳材料結構相匹配的氧化劑進行氧摻雜才能夠達到提高多孔碳材料比容量的目的。
　　利用尿素作為摻氮劑對具有超高比表面積的豆粕活性炭進行氮元素摻雜，發(fā)現(xiàn)尿素不僅不會破壞活性炭的微觀結構，還能夠通過引入含氮官能團增加活性炭的導電性并引入贗電容。當尿素與活性炭的摻雜比為2:1時，所得N摻雜豆粕活性炭在KOH電解液中，掃速5mV s-1時其比電