木竹材衍生碳基超級電容器電極材料的制備及其性能研究.pdf

1、超級電容器作為一種重要的電能存儲器件已經(jīng)受到能源和材料領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。電極材料是超級電容器電能存儲的主要貢獻(xiàn)者。碳材料和碳基復(fù)合材料則是兩種最有潛力實(shí)現(xiàn)商用化應(yīng)用的超級電容器電極材料。但是，一些典型碳材料在合成制備方面存在原料資源匱乏、制作工藝復(fù)雜、成本相對較高等問題，限制了這些碳材料和碳基復(fù)合電極材料的工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。尋求低成本碳源制備碳材料和碳基復(fù)合材料用于超級電容器電極材料已成為該領(lǐng)域一個重要發(fā)展方向。木、竹材是可再生的生物質(zhì)材料

2、，制備成碳材料工藝簡單且具有豐富的多孔結(jié)構(gòu)，近年來已經(jīng)成為制備低成本超級電容器電極材料的備選碳源材料。為了制備具有較好電化學(xué)性能的低成本碳基電極材料同時實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)木竹材的高附加值利用，本論文設(shè)計和開展了新型木竹材衍生碳基復(fù)合材料的制備及其超電容性能研究工作。具體研究內(nèi)容和主要結(jié)果如下：
　?。?）以竹材粉末為原料，采用高溫?zé)峤夥ㄖ苽渲裉?。然后通過堿活化法使碳和堿發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生多級多孔結(jié)構(gòu)。接著通過水熱摻雜法，實(shí)現(xiàn)制備碳材料的硼、氮

3、元素?fù)诫s。之后，將制備的元素共摻雜竹材衍生碳材料制作成超級電容器電極，對其進(jìn)行循環(huán)伏安（CV）、靜態(tài)充放電、電化學(xué)阻抗譜（EIS）等電化學(xué)性能測試。測試結(jié)果顯示，制備的硼氮共摻雜竹材衍生碳材料的比電容和能量密度明顯高于未摻雜的碳、單一硼摻雜的碳以及單一氮摻雜的碳。硼氮共摻雜竹材衍生碳在1M KOH和1M H2SO4電解液中最大比電容值分別可達(dá)281F g-1和318F g-1，最大能量密度分別達(dá)到37.8W h kg-1和42.1W h

4、 kg-1。獲得的最大比電容高于大多數(shù)報道過的竹碳材料、硼摻共摻雜碳材料、以及其他典型的生物質(zhì)碳材料。此外，由新型硼氮共摻雜竹材衍生碳材料制成的負(fù)電極構(gòu)成的不對稱超級電容器展現(xiàn)出良好的能量密度和電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性。該研究表明，制備的硼氮共摻雜竹材衍生碳材料可作為制備高性能超級電容器的備選材料。通過該材料制備方法有希望實(shí)現(xiàn)竹材的高附加值利用。
　　（2）以木材為原料，采用高溫?zé)峤夥āA活化法和水熱摻雜法制備硼摻雜碳材料，接著通過低溫原

5、位氧化聚合法，制備聚苯胺/硼摻雜木材衍生碳復(fù)合材料。受益于硼摻雜碳材料豐富的孔結(jié)構(gòu)和硼摻雜賦予的錨固位點(diǎn)，復(fù)合物中的聚苯胺組分得到良好的分散。將制備的復(fù)合材料制作成電極后，測試了其電化學(xué)超電容性能。測試結(jié)果顯示，受益于聚苯胺和硼摻雜木材衍生碳之間的協(xié)同效應(yīng)，聚苯胺/硼摻雜木材衍生碳復(fù)合材料與單一聚苯胺和硼摻雜木材衍生碳電極材料相比具有更高的比電容。此外，復(fù)合材料最高比電容和比能量分別達(dá)到421F g-1和45.2W h kg-1，與一些