花生壳活性炭电极材料的制备与改性及其电化学特性

作     者：蒋孝晨 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭飞强

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：花生壳 活性炭 超级电容器 化学预处理 氮掺杂 

摘      要：本文采用成本低以及可再生的花生壳作为前驱体,通过化学活化法制备具有高电化学性能的生物质活性炭电极材料,然后通过CO活化、水热碳化、化学预处理以及杂元素掺杂等措施对活性炭进行改性以改善其电化学性能。将花生壳制备成超级电容器电极材料,既能降低超级电容器的生产成本,又能避免农林废弃物的浪费以及对环境的污染,是实现生物质资源化利用的有效途径之一。本文具体研究工作如下:(1)以花生壳为前驱体,金属盐(ZnCl和FeCl)为活化剂,设计了通过一步活化制备活性炭电极材料的方法,研究了不同活化剂及质量比对活性炭微观结构和电化学性能的影响。采用SEM、HRTEM、BET、XRD、Raman以及FT-IR对所得活性炭的结构特征与表面性质进行表征。BET结果表明,制备的活性炭材料具有高比表面积和大量的微孔,最大比表面积可到1481.59 m/g,大量微孔主要是在ZnCl和FeCl对碳骨架的蚀刻作用下形成的。XRD图谱和Raman光谱表明,所有样品均为具有一定石墨晶体结构的无定形碳。另外,通过FT-IR分析发现活性炭材料的表面具有大量的含氧官能团,这些官能团有利于提高碳材料的电化学性能。通过电化学测试对活性炭材料的电化学性能进行表征,发现在活化剂与生物质的质量比为2:1时,活性炭材料具有最佳的电化学性质,且ZN-PSAC-2比FE-PSAC-2表现出更优异的电化学性能。所获得的ZN-PSAC-2样本在0.5 A/g电流密度下的比电容为216.5 F/g,并具有出色的循环稳定性。(2)在ZnCl活化的基础上,提出了通过NHOH,HNO和HSO对花生壳进行化学预处理,耦合水热碳化和ZnCl/CO活化制备得到具有高电化学性能的花生壳基多孔石墨炭的方法。结果表明,相对于HNO和HSO,NHOH预处理对活性炭的改性效果最佳。当活化温度为700°C时,得益于其高表面积和良好的孔径分布,NHAC-700表现出最佳的电化学性能。在此基础上,研究了活化温度对NHOH改性效果的影响。将活化温度提高到800°C时,通过NHOH处理的生物质炭的孔隙率和电化学性能得到进一步改善,所制备的NHAC-800具有含有丰富的微孔和介孔的多孔结构并且其表面积达到2129.5 m/g。在三电极系统,当电流密度为0.5 A/g时,NHAC-800电极的比电容值达到266.1 F/g。在双电极系统中,由NHAC-800组成的对称电容器可提供的最大能量密度为32.08Wh/kg。此外,NHAC-800对称电容器还表现出出色的循环稳定性,它在5000次充放电循环后的比电容保持率为93.76%。(3)在水热碳化以及NHOH预处理的基础上,提出了ZnCl/CO活化耦合三聚氰胺渗氮制备具有高电化学性能的花生壳基氮掺杂多孔炭的方法。所制备的活性炭具有大的表面积和由丰富微孔和介孔组成的分级多孔结构。通过掺杂氮元素有效增加了活性炭表面的含氮官能团,这些含氮官能团在改善活性炭电导率的同时可以产生赝电容,对提升活性炭的电化学性能具有重要的作用。本实验还探讨了掺杂比对活性炭电化学性能的影响,发现过量的掺杂比会损害活性炭的孔隙结构,降低活性炭电极材料的电化学性能。本研究的最佳样品(NHAC-2)是在三聚氰胺与活性炭的质量比为2:1的情况下获得的,该材料的表面积达到2014.6m/g。在三电极系统中,NHAC-2在0.5 A/g的电流密度下可提供310.6 F/g的高比电容。同时,在双电极系统中,由NHAC-2组成的对称电容器在0.5 A/g的电流密度下的比电容为300.6 F/g。此外NHAC-2还具有优异的倍率性能和良好的循环稳定性。