雜原子摻雜生物質(zhì)活性炭材料的制備及其超級電容器和氧化還原性能的研究.pdf

1、在化石燃料的快速消耗以及環(huán)境污染加劇的窘境下，發(fā)展高效、清潔、可再生的能源轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存技術(shù)成為時(shí)代的迫切需求。超級電容器、氫氧燃料電池以及金屬-空氣電池作為其中的典型代表，成為了科研研究的熱點(diǎn)。研究者通過采用農(nóng)林廢棄物、生物質(zhì)來制備多孔活性炭，提供了一種低成本、來源廣泛和廢棄資源利用的有效途徑。
　　本論文選用柚子皮(Pomelo peel，PP)為碳源，KOH做活化劑提高材料比表面積，氮摻雜增加活性位點(diǎn)，金屬(Fe/Co)在高溫下

2、催化作用提高炭材料石墨化程度，進(jìn)一步提高炭材料的電化學(xué)性能。首先預(yù)處理后的柚子皮通過高溫?zé)峤馓蓟频描肿悠ぬ坎牧螾C;經(jīng)KOH活化熱解，制得活性炭材料PAC，并探究了不同溫度和不同活化劑比例制備的PAC的不同特征和電化學(xué)性能，選出最適的熱解溫度和活化比例制備更有效的炭材料;然后加入氨基葡萄糖氮源與三聚氰胺氮源制備的氮摻雜炭材料NPAC及其電容特性的研究;為了更加提高NPAC炭材料的功率特性，進(jìn)一步研究了金屬(Fe/Co)在高溫下的催化作

3、用，并探究材料的特性和電化學(xué)性能。
　　通過對四類炭材料（PC、PAC、NPAC和NPACmetal）研究對比，結(jié)合物理表征分析以及電化學(xué)性能的評價(jià)，選出了最優(yōu)材料生物質(zhì)基活性炭材料（稱作NPACCo），NPACCo展現(xiàn)了優(yōu)異的電容性能和良好的氧還原催化性能，這主要是得益于三個(gè)因素:(1)有效的N摻雜碳結(jié)構(gòu)，高絕對含量的吡啶氮(1.7％)和石墨氮(2.5％)的協(xié)同作用;(2)短程有序的碳層結(jié)構(gòu)和多孔結(jié)構(gòu)共存;(3)比表面積高(20

4、91m2g-1)，合適的多級孔結(jié)構(gòu)分布(大量的微孔和小介孔，孔徑≤5nm)。作為超級電容器炭材料，在0.5A g-1時(shí)其比電容高達(dá)350F g-1，且在大電流密度20A g-1時(shí)比電容仍然有271F g-1，是1Ag-1時(shí)比電容的83.4％。即使在極高電流密度50Ag-1充放電時(shí)，其電容值依然高達(dá)246F g-1，分別是PC、PAC、NPAC炭材料的6.3、1.9、3.2倍。由NPACCo組裝的電容器擁有高的能量密度12.5Wh kg-

5、1和功率密度250W kg-1，并且在極高的功率密度8200W kg-1時(shí)，仍有能量密度7.3Wh kg-1，以及優(yōu)越的穩(wěn)定性（經(jīng)5000周期充放電比電容仍保持有96.5％）。
　　鑒于NPACCo的高比表面積、豐富的孔結(jié)構(gòu)以及高的吡啶氮和石墨氮摻雜比，進(jìn)一步探討了電催化氧還原反應(yīng)(ORR)的性能。在ORR測試中，NPACCo展現(xiàn)了高的起始電位(0.87V)和半波電位(0.78V)，以及四電子轉(zhuǎn)移的ORR反應(yīng)途徑，這些性能可與Pt