用于超级电容器和吸附污染物的中空碳球

作     者：陈晓菲 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：占敬敬

授予年度：2020年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：中空碳球 气溶胶喷雾法 超级电容器 污染物吸附 

摘      要：中空碳球(HCSs)是一类新型碳材料,其尺寸在纳米至微米之间并具有独特中空和薄壁壳层。中空碳球具有结构稳定、导电性强、壳渗透性高、总孔体积大等特点,在新能源电极材料和环境污染物处理等领域有着出色的表现。但目前的中空碳球的制备方法仍存在操作复杂、产率低和造成二次污染等问题,不适合大规模生产。因此本文的研究目的在于利用具有自组装特性的碳源,通过简单绿色的方法,一步法直接制备出具有出色的电化学性能和高污染物吸附能力的中空碳球。主要研究结果如下:本文以具有自组装能力的β-环糊精为碳前体,利用气溶胶喷雾法作为材料的制备方法,在没有使用任何模板的情况下,一步制备出中空碳球。在制备过程中,β-环糊精与乙醇之间的自组装作用是形成中空结构的关键,气溶胶喷雾法在保证了材料的粒径和分散性。并通过TEM、SEM、氮气吸附脱附实验、Zeta电位测试、浊度测试等方法对材料进行表征分析,表征结果表明HCSs有着1.1±0.6μm的平均粒径、209.48 m/g的比表面积、0.523 cm/g的孔体积,且具有出色的分散性和较低的密度,并对中空碳球的电化学性能和污染物吸附性能进行测试。通过CV、GCD、EIS、循环性能测试等电化学表征手段对HCSs的电化学性能进行表征。结果表明:HCSs在0.2 A/g的条件下比电容为276 F/g;HCS有良好的电容保持率,在50倍的电流密度下仍能保持70%的比电容;HCSs的循环使用寿命也较为出色,在2 A/g的条件下充放电3000次,比电容仍为初始值的92.3%;此外HCSs还具极低的内阻。此外,还研究了HCSs对二价锌Zn(Ⅱ)、亚甲基蓝、菲等环境污染物的吸附能力,同时讨论了HCSs的初始剂量、溶液初始pH对其吸附三种污染物的影响和HCSs吸附污染物的循环再生性能。实验结果表面相比于实心碳球,HCSs对上述污染物有着良好的吸附性能,这可以归因于它拥有较高的比表面积和孔体积以及在较长的水中悬浮时间。2、3、4 g/L的HCSs分别对20 mL浓度为25 mg/L的Zn(Ⅱ)、亚甲基蓝、菲溶液达到100%的去除率。循环吸附五次后对Zn(Ⅱ)、亚甲基蓝、菲溶液的去除率能够分别保持为77%、69%、86%。