生物质碳基复合多孔材料的合成及其电容去离子性能研究

作     者：刘元政 

作者单位：山东建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：江荣岩

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 07[理学] 08[工学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：生物质分级多孔碳 超级电容器 NiCo2S4 电化学性能 电容去离子 

摘      要：生物质因其资源丰富、环境友好,是制备多孔碳材料的优质原料。以生物质为原料制备的衍生多孔碳孔隙结构丰富、比表面积较大,加之其稳定的结构、优异的循环稳定性,生物质衍生多孔碳在电化学储能领域发挥重要作用。基于此特性,本文以生物质柚子皮为碳源,通过水热预碳化及活化的方法制备出分级多孔碳材料。进一步采用水热法在多孔碳基底上制备金属硫化物复合材料,以提高材料的比电容。将分级多孔碳材料应用于电容去离子技术中,研究其在脱盐系统中的实际应用。主要内容如下:(1)以柚子皮为碳源,KOH为活化剂,通过水热预碳化及KOH活化分步处理,得到了比表面积高达1595.01 m g,平均孔隙体积为0.75 cm g,孔隙构造主要以微孔为主,介孔、大孔共存的生物质分级多孔碳材料(Biomass Graded Porous Carbon,BGPC)。探究了活化剂比例、活化温度及活化时间对多孔碳的形貌、结构及电化学性能的影响。将制备的材料用作超级电容器电极材料,在6 M的KOH电解液中进行三电极体系测试,得益于较大的比表面积,材料在电流密度为0.5 A g下的比电容值达到401.2 F g,相较于生物质水热碳(15.0 F g),其电容量大幅提升。在10 A g的电流密度下进行5000次充放电测试后电容保持率仍为96.2%,展现出了优异的循环稳定性。(2)以生物质分级多孔碳(BGPC2-700-2)为基底,利用两步水热法在基底上成功制备出分层花状NiCoS@BGPC电极材料,利用XRD、XPS、EDS、SEM、BET对材料的晶体结构、元素组成、形貌特征及孔隙结构进行了分析表征,并研究了其赝电容行为。在三电极体系下,硫化时间为8 h的NiCoS@BGPC复合电极材料在1 A g下,表现出较大的比电容值(1322.5 F g)。为验证NiCoS@BGPC材料的实际应用,NiCoS@BGPC//NiCoS@BGPC对称超级电容器和NiCoS@BGPC//AC非对称超级电容器在两电极系统测试中都显示出良好的电容性能和循环特性,这意味着NiCoS@BGPC在电化学储能领域的具有潜在应用价值。(3)基于电容去离子技术高效去除水环境中盐离子,对保障淡水资源清洁利用意义重大。选择生物质衍生多孔碳为CDI(Capacitive Deionization)模块电极材料进行脱盐实验。分别对比不同活化时间下制备的BGPC材料的脱盐能力,结果表明,BGPC2-700-2电极材料在电化学吸附待测液中Na的过程中(初始Na Cl待测液浓度为500 mg L,工作电压为1.2 V,流速为40%),表现出了最高的盐吸附容量29.25 mg g以及最大的盐吸附速率0.745 mg g min。同时研究了BGPC2-700-2在不同初始Na Cl待测液浓度(200、500、1000 mg L)下的脱盐能力,发现随着初始浓度的增加,BGPC2-700-2电极的盐吸附容量同样增加,在1000 mg L时盐吸附容量为39.47 mg g,表现出强的电容吸附能力,具有优异的实际应用潜力。