生物質(zhì)多孔碳的制備及在酸堿超級電容器中的應(yīng)用研究.pdf

1、電化學(xué)電容器(ECs)，也被稱為超級電容器，現(xiàn)在已經(jīng)被用作為大功率電子裝置和數(shù)碼裝置等的驅(qū)動電源。究其原因是它杰出的功率密度(Pd)，長的循環(huán)壽命，與環(huán)境友好以及快速充放電。相比于電池，ECs的致命弱點(diǎn)是其能量密度(Ed)相對較低（大約是5 Wh kg-1），從而極大地限制了它的應(yīng)用。通過開發(fā)和構(gòu)筑新的與酸堿電解液匹配的功能化多級孔先進(jìn)碳材料（材料與酸堿電解液的匹配包括電極材料的孔徑大小和電解液離子尺寸相匹配，電極材料的潤濕性和電解液的

2、物性相匹配，電極材料的表面官能團(tuán)和電解液相互作用的匹配等等）實(shí)現(xiàn)高性能ECs。
　　酸、堿電解液因其成本低、安全可靠、環(huán)保、電導(dǎo)率高并易與碳材料表面的官能團(tuán)發(fā)生相互作用誘發(fā)贗電容效應(yīng)等因素，因此常用作ECs的電解液。
　　傳統(tǒng)上常用不可再生的石油和煤炭資源為原料來合成ECs的碳材料，其制備工藝復(fù)雜，有時(shí)使用有毒的化學(xué)試劑來完成。故而迫切希望選擇一條使用低成本、可再生的原料來合成碳材料的工藝路線。近年來，生物質(zhì)制備ECs電極材

3、料變得越來越有吸引力。生物質(zhì)是天然的可再生資源，具有均勻的孔隙率，豐富的原位雜原子摻雜（主要是N，O，B，S，P等）以及自然完美的層次結(jié)構(gòu)。這不僅可以提供高的接觸表面積、快速的電解液離子緩沖層和運(yùn)輸通道，而且還提供了一個(gè)額外的通過發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生的贗電容、高的潤濕性，確保了高的Ed。
　　本文以農(nóng)林廢棄生物質(zhì)為碳源制備多級孔先進(jìn)碳材料，并將其組裝成酸堿ECs器件，主要研究工作如下:
　　1.以紅薯干莖葉為原料，KOH為

4、活化劑制備出具有3D碳納米環(huán)結(jié)構(gòu)的高性能ECs電極材料。材料的孔隙結(jié)構(gòu)、比表面積以及表面元素含量可以通過控制活化溫度和活化劑用量來調(diào)控。用性能最好的材料BSL-KC-1∶4-700組裝ECs器件，實(shí)現(xiàn)了材料和強(qiáng)酸強(qiáng)堿電解液的完美匹配，展示了優(yōu)異的性能。在1 mol L-1 H2SO4電解液中在1 Ag-1和30 A g-1的電流密度下，電極電容分別為532.5 F g-1和264.0 F g-1，電容保持率分別為95.1％（1000個(gè)循

5、環(huán)）和91.7％（一萬個(gè)循環(huán)）;對稱ECs器件的Ed為25.8 Wh kg-1，Pd為13068.0 W kg-1。在6 mol L-1 KOH的電解液中，在1A g-1的電流密度下比電容分別為350.0 F g-1，電容保持率分別為95.06％（1000個(gè)循環(huán)后）和91.1％（一萬個(gè)循環(huán)）;對稱ECs器件的Ed為24.5W h kg-1 Pd為12918.0 W kg-1。因此我們這項(xiàng)工作不但給出了利用廉價(jià)、環(huán)保的廢棄生物質(zhì)材料在溫和

6、條件下制備高性能ECs器件的電極材料的方法，而且也展示了材料潛在商業(yè)化應(yīng)用前景。
　　2.以鳳尾花為碳源，KOH為活化劑設(shè)計(jì)并制備出了3D的多級孔結(jié)構(gòu)碳材料，并探討了活化溫度和活化劑比例對材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。其中樣品CCVSK4-700展示出高的BET比表面積(2675.3 m2 g-1)，高的比電容（555 F g-1）。
　　3.棕櫚廢棄生物質(zhì)經(jīng)過碳化和KOH活化后，制備了可調(diào)控的3D多級分孔結(jié)構(gòu)碳材料，其比表面積高達(dá)