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以纳米多孔炭为载体的直接硼氢化钠—过氧化氢燃料电池阳极催化剂研究

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以纳米多孔炭为载体的直接硼氢化钠—过氧化氢燃料电池阳极催化剂...

作者：刘菁湘潭大学

学位级别：硕士

直接硼氢化钠-过氧化氢燃料电池(DBHFC)是直接以硼氢化钠(NaBH4)碱溶液为燃料的一种新型燃料电池,因具有理论比能量大(9.3 Wh g-1)、理论电压高(3.01 V)等特点而受到了人们的广泛关注。但其催化剂(主要为贵金属,如Pt、Au、Pd等)等基础... 详细信息

直接硼氢化钠-过氧化氢燃料电池(DBHFC)是直接以硼氢化钠(NaBH4)碱溶液为燃料的一种新型燃料电池,因具有理论比能量大(9.3 Wh g-1)、理论电压高(3.01 V)等特点而受到了人们的广泛关注。但其催化剂(主要为贵金属,如Pt、Au、Pd等)等基础材料价格高昂,严重阻碍了DBHFC的商业化。其中,改善阳极催化剂性能是降低催化剂成本、提高燃料利用率的关键。而阳极催化剂的电催化活性面积、形貌、稳定性等都与催化剂载体的性质直接相关。因此,寻找一种适宜的催化剂载体是提高阳极催化剂活性,进而促进DBHFC商业化的一条有效途径。近年来,以孔径可控、结构多样的金属有机骨架化合物(MOFs)为模板制备的纳米多孔炭在众多领域展现出了优异的性能,如:发达的孔隙结构、高的比表面积和良好的导电性等。可见,纳米多孔炭是一种潜在的理想DBHFC催化剂载体。因此,本论文采用糠醇(FA)为碳源,MOF-5(Zn4O(OOCC6H4COO)3)为模板,通过高温煅烧得到纳米多孔炭(NPC),并将其应用于DBHFC阳极催化剂载体。主要研究内容如下:采用浸渍还原法分别制备了NPC载Pt催化剂(Pt/NPC)及碳黑载Pt催化剂(Pt/XC-72),通过循环伏安(CV)等电化学测试方法研究了Pt/NPC对BH4-氧化的电催化活性。测试结果表明:Pt/NPC的电催化性能优于Pt/XC-72。同样,以Pt/NPC为阳极催化剂组装的DBHFC的最大功率密度达54 mW cm-2,大于以Pt/XC-72为阳极催化剂的DBHFC的最大功率密度(34 mW cm-2)。通过氮气吸/脱附测试探讨了KOH活化对NPC在孔径、比表面积等方面的影响,测试结果显示:活化后得到的A-NPC的比表面积(2296 m2 g-1)和孔容(1.59 cm3 g-1)均大于NPC。采用CV等电化学测试方法比较了A-NPC载Au催化剂(Au/A-NPC)、NPC载Au催化剂(Au/NPC)和碳黑载Au催化剂(Au/XC-72)对BH4-氧化的电催化活性。实验结果表明:Au/A-NPC具有良好的催化活性。采用浸渍还原法制备了两个系列的NPC载双金属催化剂PtxCu/NPC和PdxZn/NPC催化剂,并分别研究了各催化剂的电化学性能。研究结果表明:PtxCu/NPC和PdxZn/NPC对BH4-氧化的电催化活性均高于相应的单金属催化剂。特别是Pt2Cu/NPC和Pd2Zn/NPC在同系列的催化剂中表现出了最佳的电催化性能。此外,分别以Pt2Cu/NPC和Pd2Zn/NPC为阳极催化剂组装成的DBHFC,最大功率密度高达89 mW cm-2和104 mW cm-2。

关键词：硼氢化物燃料电池纳米多孔炭阳极催化剂催化剂载体

聚硅氧烷制备高比表面积微介孔炭材料(英文)

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新型炭材料 2013年第3期28卷 235-240页

作者：段力群马青松陈朝辉国防科技大学航天科学与工程学院新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室湖南长沙410073

通过对聚甲基(苯基)硅树脂(SR249)在1250～1350℃、真空气氛下裂解以及氢氟酸酸洗处理制备得到具有高比表面积的纳米多孔炭材料。采用X-ray衍射光谱、拉曼光谱、元素分析、透射电镜及氮气吸附法对不同温度所制样品进行元素组成及结构研... 详细信息

通过对聚甲基(苯基)硅树脂(SR249)在1250～1350℃、真空气氛下裂解以及氢氟酸酸洗处理制备得到具有高比表面积的纳米多孔炭材料。采用X-ray衍射光谱、拉曼光谱、元素分析、透射电镜及氮气吸附法对不同温度所制样品进行元素组成及结构研究。裂解产物中的SiO2相作为一种天然模板经腐蚀处理除去。裂解温度和酸洗处理对多孔炭材料的成分和结构变化影响较大。HF酸处理前,裂解产物的比表面积小于55m2/g;而酸洗后产物比表面积和总孔容量显著增加,而最高值是裂解温度为1300℃时获得,分别为1148m2/g、0.608 cm3/g。经酸洗处理得到的多孔炭,孔径分布均相对较窄,在1～4 nm。透射电镜结果显示炭材料中的自由碳相和少量的SiC纳米晶及SiOC陶瓷彼此相互包裹。

关键词：聚硅氧烷纳米多孔炭孔结构裂解腐蚀处理

微纳米孔隙内气体流动特性与LBM数值模拟研究

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河南理工大学学报（自然科学版） 2024年第2期43卷 15-25页

作者：王登科袁明羽李振张清清尚政杰付建华王岳栩唐家豪郭玉杰庞晓非河南理工大学河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地河南焦作454000 河南理工大学安全科学与工程学院河南焦作454000 河南理工大学煤炭安全生产与清洁高效利用省部共建协同创新中心河南焦作454000 太原理工大学安全与应急管理工程学院山西太原030024 中煤科工集团沈阳研究院有限公司辽宁抚顺113122 郑州煤炭工业(集团)有限责任公司河南郑州450000

目的研究瓦斯气体在煤层中的流动特性对于揭示煤层瓦斯赋存机理和扩散运移特性具有重要意义。煤中微纳米级孔隙结构十分复杂,为研究煤层瓦斯气体在微纳米孔隙中的流动特性,方法以均质纳米多孔炭薄膜为测试对象,采用扫描电镜实验对其孔... 详细信息

目的研究瓦斯气体在煤层中的流动特性对于揭示煤层瓦斯赋存机理和扩散运移特性具有重要意义。煤中微纳米级孔隙结构十分复杂,为研究煤层瓦斯气体在微纳米孔隙中的流动特性,方法以均质纳米多孔炭薄膜为测试对象,采用扫描电镜实验对其孔隙大小和孔隙率进行定性定量分析;利用纳米尺度气体流动特征实验装置开展微纳米孔隙的气体流动实验研究,通过对比分析传统达西渗流模型和适用于微尺度下气体流动模型,结果得到更为详细的微纳米孔隙内气体流动特性:纳米多孔炭薄膜的视渗透率随着进气口压力的升高而下降,二者呈负相关的线性变化规律;视渗透率随着努森数降低而降低,二者呈正相关的线性变化规律,表明气体在微纳米尺度下的流动不符合传统的达西定律,滑脱效应和气体扩散不可忽视。采用格子Boltzmann方法(lattice boltzmann method,LBM)模拟不同进气口压力下的气体流动,得到不同气体压力下出口的气体流量,与实验结果进行对比,LBM模拟的平均误差为8.25%,整体吻合性较好,表明LBM数值模拟可有效揭示气体在微纳米尺度下的流动特性。结论研究结果可为今后分析煤层中的瓦斯流动机制和流动规律提供理论借鉴。

关键词：微纳米孔隙纳米多孔炭气体流动特性 LBM模拟 LBM-D2Q9模型

利用金属盐制备高比表面积的ZIF材料衍生的NPC及NPC的吸附应用

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利用金属盐制备高比表面积的ZIF材料衍生的NPC及NPC的吸附应用

作者：赵邦垚长春工业大学

学位级别：硕士

染料废水对人类和水生生物都是有毒和致癌的。吸附技术作为一种简便有效的去除水溶液中染料的方法,已被广泛应用了几十年。许多研究人员试图寻找或设计染料吸附的替代材料。沸石咪唑酯骨架材料(ZIFs)具有比表面积高、孔隙率高、热化学... 详细信息

染料废水对人类和水生生物都是有毒和致癌的。吸附技术作为一种简便有效的去除水溶液中染料的方法,已被广泛应用了几十年。许多研究人员试图寻找或设计染料吸附的替代材料。沸石咪唑酯骨架材料(ZIFs)具有比表面积高、孔隙率高、热化学稳定性好和可定制的结构多样性等固有优势,为制备具有不同结构和不同装饰的多孔炭材料提供了无限可能。ZIFs衍生的纳米多孔炭材料(NPCs)继承了ZIFs的比表面积大和孔隙率高的优点,可用于吸附环境中的污染物,近年来引起了人们的广泛关注。本实验首先通过室温合成法合成ZIF-8,然后采用等体积浸渍法制备出前驱体金属盐@ZIF-8,将其在惰性气体氛围下利用管式炉在800～1000℃高温煅烧得到ZIF-8基纳米多孔炭材料。通过氮气吸附脱附分析表明Zn Cl的负载才能显著增加ZIF-8基纳米多孔炭的比表面积,通过改变温度和Zn Cl的负载量,NPC-0.5-1000和NPC-1-1000的比表面积分别能够达到2780 m/g和2866 m/g,孔体积分别能达到0.63 cm/g和0.64 cm/g,表明制得的高比表面积的ZIF-8基纳米多孔炭的最佳炭化温度为1000℃、Zn Cl的最佳负载量为0.5 g。通过XRD分析,表明制得的ZIF-8具有高结晶度并且是单一纯相,制得的ZIF-8基纳米多孔炭为无定形炭;通过SEM分析,NPC-0.5-1000和NPC-1-1000形貌大致为球形颗粒状的结构,并且呈现出堆积的态势;通过FTIR分析,NPC-1-1000吸附Rh B属于孔内吸附;通过XPS分析,NPC-1-1000中含有的吡啶氮有利于吸附的发生。在吸附实验中,以NPC-1-800、NPC-0-1000、NPC-1-900、NPC-0.5-1000和NPC-1-1000为吸附剂,通过对比并选择了罗丹明B(Rh B)作为吸附质,六种影响因素显示:吸附剂的最适投加量为0.01 g;p H控制在6时,可以提高吸附效果,获得最大吸附量;NPC-0.5-1000和NPC-1-1000在吸附刚开始的3-5 min吸附量能达到2000 mg/g;随着温度的升高,纳米多孔炭的吸附量也在增加,吸附反应是一个吸热反应;随着K和Cl浓度的增加,吸附量有些许增加。ZIF-8基纳米多孔炭吸附机理可以用Langmuir等温线模型对其进行解释。NPC-1-800、NPC-1-900、NPC-0.5-1000和NPC-1-1000对于Rh B的吸附遵循拟二级动力学模型,NPC-0-1000对于Rh B的吸附遵循拟一级动力学模型。通过5次循环实验,NPC-1-1000具有良好的可循环再生性。NPC-1-1000的最大吸附量能够达到5177 mg/g。

关键词：沸石咪唑酯骨架材料纳米多孔炭高比表面积染料吸附

电解液添加剂对柠檬酸盐基炭材料的超电容性能影响研究

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电解液添加剂对柠檬酸盐基炭材料的超电容性能影响研究

作者：王倩合肥工业大学

学位级别：硕士

本论文主要利用模板炭化法制备一系列具有不同内部结构和电化学性能的纳米多孔炭材料,考察了炭化温度和模板类型对炭材料性能的影响。在此基础上,通过引入一系列不同的氧化还原添加剂进一步提高超级电容器电化学性能,对其反应机理进行... 详细信息

本论文主要利用模板炭化法制备一系列具有不同内部结构和电化学性能的纳米多孔炭材料,考察了炭化温度和模板类型对炭材料性能的影响。在此基础上,通过引入一系列不同的氧化还原添加剂进一步提高超级电容器电化学性能,对其反应机理进行详细的研究。具体内容如下:1.引入氧化还原添加剂钙试剂羧酸钠(简称CS)到KOH电解质中提高超级电容器的电化学性能。实验中,首先在800 ℃下直接炭化柠檬酸钾得到Carbon-800样品。然后在三电极系统中测量电化学性能,以6 mol L-1 KOH为电解液,测得该样品在3 Ag-1 电流密度下的质量比电容为128 F g-1。为了进一步提升超级超级电容器的电容性能,在KOH电解液中引入一系列浓度的钙试剂羧酸钠。结果表明,当6 mol L-1 KOH电解液中加入15 mmol L-1钙试剂羧酸钠,Carbon-800-15样品在3Ag-1的电流密度下显示出了较高的质量比电容237F g-1,是Carbon-800样品质量比电容的2.1倍。除此之外,在二电极系统中,Carbon-800-15样品在1.5 kW kg-1的功率密度下能量密度高达11.4 Wh kg-1,远大于在相同功率密度Carbon-800样品的能量密度7.3 Wh kg-1。提高的比电容主要来源于电极/电解液表面质子与电子的快速氧化还原反应。由此可见,钙试剂羧酸钠在提高超级电容器的性能方面具有潜在的应用价值。2.以柠檬酸三钠为唯一碳源在800 ℃下炭化,制备新型的二维非晶炭材料(样品命名为SC-blank),该样品比表面积和孔隙体积分别高达1015.8 m2 g-1和2.0 m3 g-1。此外,我们应用了一种炭化和石墨化同步的方法合成部分石墨化炭材料。首先,在800 ℃下炭化柠檬酸三钠和硝酸镍的混合物(质量比为7:1),得到SC-7:1样品,由于石墨化程度的增加促使其比表面积减少到682.8 m2 g-1,质量比电容也有所减小,但该样品具有了更好的倍率性能。更为重要的是,引入一定量的氧化还原添加剂对磺基苯偶氮变色酸钠(简称SAA)到KOH电解液中提高超级电容器的电化学性能。当电流密度为3 A g-1时,SC-blank样品在KOH和对磺基苯偶氮变色酸钠混合电解液中的质量比电容高达200 F g-1,相对于在传统KOH电解液中测得的比电容(66 Fg-1)有了很大幅度的提高。总之,对磺基苯偶氮变色酸钠是一种可以有效提高电容的氧化还原添加剂。3.引入一种简单高效的氧化还原添加剂邻苯二酚紫(简称PCV)到不同的水质电解液(H2SO4、Na2SO4、KOH)中提高超级电容器的电化学性能,这种性能的提升主要来源于电子和质子在电极/电解液界面快速的氧化还原反应。实验表明邻苯二酚紫的浓度对超级电容器电化学性能具有重要的影响。在二电极系统中,当把0.006 mol的邻苯二酚紫加入到1mol L-1 H2SO4电解液中,超级电容器的电容达到200 F g-1,其是初始质量比电容的2.6倍。此外,对应的能量密度也高达28Wh kg-1 (增加了两倍)。邻苯二酚紫也被进一步加入到Na2SO4和KOH介质中,其电容和能量密度也都有显著的提高,进一步证明邻苯二酚紫的高效性和普适性。实验结果表明具有突出电化学可逆性、良好普适性和较高溶解度的邻苯二酚紫是一种非常高效的氧化还原添加剂。

关键词：超级电容器纳米多孔炭模板炭化法电解液添加剂氧化还原

基于炭结构调控与电解液添加剂共同提高超电容性能研究

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基于炭结构调控与电解液添加剂共同提高超电容性能研究

作者：聂永福合肥工业大学

学位级别：硕士

近年来,随着智能电器领域市场需求的快速增长,引发了人们对能源存储设备研究的热潮。超级电容器(又称电化学电容器)作为新一代能源存储设备,已经在消费性电子产品中得到了广泛的应用,主要基于其长的循环寿命、高的能量密度和功率密度。... 详细信息

近年来,随着智能电器领域市场需求的快速增长,引发了人们对能源存储设备研究的热潮。超级电容器(又称电化学电容器)作为新一代能源存储设备,已经在消费性电子产品中得到了广泛的应用,主要基于其长的循环寿命、高的能量密度和功率密度。就超级电容器而言,其中最值得关注的点在于具有合适微观结构的纳米多孔炭材料和电解液体系。众所周知,模板炭化工艺通过纳米空间的特别调节,使其能在纳米水平上调控炭材料的微观结构,也因此使得超级电容器的电极材料研究集中于最具商业发展前景的模板炭材料。另一方面,对于提高超级电容器的赝电容性能,目前主要集中在杂原子掺杂和过度金属氧化物的研究,却很关注通过电解液体系的改变来提高赝电容。本研究论文中,通过一个简单有效的合成方法来制备电极用多孔炭材料,同时将具有氧化还原特性的物质添加到不同的电解质(酸性和碱性电解液)或电极材料中来有效地提高超电容性能,并探讨了氧化还原电解液与电极材料共同提高超电容性能的机理及其在应用中存在的一些影响因素。本论文的主要研究内容概括如下:1.通过模板炭化法制备分级纳米多孔炭材料,其中柠檬酸钾(或者明胶)作为含碳前驱体,Mg(OH)2粉末为模板。质量比为3:1的柠檬酸钾与Mg(OH)2在800 ℃下煅烧获得样品P-3:1,其具有高的比表面积(1894.7 m2 g-1)和大的总孔容(2.27 cm3 g-1)。为了进一步提高样品的电化学性能,对苯二胺(PPD,作为氧化还原添加剂)被引入到6 mol L-1 KOH中来作为混合的氧化还原电解液,得到的样品分别被简称为P-3:1-5/10/15。三个样品的比电容值分别被极大地提高到579.2,712.8和852.3 Fg-1在电流密度为2Ag-1时,相比较而言,样品P-3:1表现出一个低电容值(325 Fg-1)在相同的电流密度下。此外,最优的样品P-3:1-15经过5000次充放电循环后其比电容保持率可以高达70.5%。该种方法被进一步推广到明胶与Mg(OH)2体系中,所得到的样品G-1:1-5/10/15也表现出相似的趋势。2.在本节的工作中,通过添加对硝基苯胺(PNA)到KOH碱性电解液中来有效提高超电容性能。此外,另一种有效的添加剂丁二酮肟(DMG)被引入到炭材料中来提高超级电容器的性能,其电解液是PNA+KOH。就DMG+PNA+KOH系统而言,样品DMG-0.15-PNA-0.15的比电容可以高达386.1 F g-1在电流密度为3 Ag-1时,其值明显高于样品PNA-0.15在PNA+KOH系统中的比电容值(183.6 F g-1),以及其接近于样品Carbon-blank在KOH系统中比电容值(132.3 F g-1)的三倍。另一方面,当电流密度增加到40Ag-1时其比电容仍可以高达260.0Fg-1,且比电容的保持率仍维持在67.4%左右。就循环稳定性而言,样品DMG-0.15-PNA-0.15则表现出一个异乎寻常的电容量保持率(113%)在经过5000次充/放电循环后,这可能是由于在循环测试中出现潜在的活化过程,但其也表现出优秀的循环稳定性。超级电容器的电化学性能的显著提高可能都源于添加剂PNA和DMG之间的协同作用及叠加效应。3.通过一种简单而有效的模板炭化法制备具有高氮/氧含量的中空纳米炭材料。样品NPC-1表现出相对较高的比表面积(736 m2 g-1),大的孔容(5.93 cm3 g-1)和高的杂环原子(～11.25%氮和～5.74 %氧)含量,这些质构特性都有利于提高电化学性能。具体来说,NPC-1-基电极表现出高的比电容和优秀的循环稳定性在1 mol L-1 H2SO4电解液中。此外,邻苯二酚和芦丁作为新颖的氧化还原添加剂被引入到电解液中来提高比电容值。结果显示,样品NPC-1-R-0.15和NPC-1-P-0.15的电容值分别为120.5和368.7 F g-1当电流密度为2 Ag-1时,且该电容值远高于没有氧化还原添加剂的NPC-1 (66.2 F g-1)空白样品。另一方面,NPC-1-基对称超级电容器材料的能量密度可高达18.9、11.9 Wh kg-1当分别使用硫酸+邻苯二酚和硫酸+芦丁作为电解液时。此外,两者都显示出超高的循环稳定性当经过5000次充放电循环后。

关键词：纳米多孔炭氧化还原添加剂电化学性能超级电容器

基于二苯基碳酰二肼超电容炭材料及电解质添加剂的研究

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基于二苯基碳酰二肼超电容炭材料及电解质添加剂的研究

作者：张雷合肥工业大学

学位级别：硕士

全球经济的快速发展,化石燃料的消耗和环境污染的加剧,使得寻求高效、清洁、可持续的能源以及能量转换和存储相关的新技术迫在眉睫。在各种不同的电源中,超级电容器作为一种成熟的技术,并具有在能量存储方面取得重大进展的可能性。与传... 详细信息

全球经济的快速发展,化石燃料的消耗和环境污染的加剧,使得寻求高效、清洁、可持续的能源以及能量转换和存储相关的新技术迫在眉睫。在各种不同的电源中,超级电容器作为一种成熟的技术,并具有在能量存储方面取得重大进展的可能性。与传统的电容器相比,超级电容器的特定能量要高几个数量级。超级电容器也有比大多数电池更大的功率密度和更长的循环寿命比,但他们的比电容略低。氮原子掺杂到石墨烯层被认为是消除这一缺点最好的方法来之一。氮掺杂可以产生除了双电层电容之外的赝电容,提高在电极溶液界面润湿性。此外,引进的氮可以诱发大量的碳结构的缺陷进而提高电极的电容。众所周知,电解质在超级电容器充放电过程中起到重要的作用。因此,具有良好的电化学性能的电解质对于一个高效的超级电容器是非常重要的。在电解质中添加氧化还原添加剂能够提高超级电容器的比电容。氧化还原添加剂在电极和电解质界面快速可逆的法拉第反应能够贡献额外的赝电容。因此,预计碳基超级电容器的电化学性能可以显著提高。论文的主要研究内容如下：1.一个简单的模板炭化方法被用来制备氮掺杂纳米多孔炭材料,其中二苯基碳酰二肼充当碳源和氮源,Mg(OH)2充当硬模板。炭化温度是影响多孔炭结构最重要的因素。800℃℃炭化质量比为3:1的二苯基碳酰二肼和Mg(OH)2的得到的carbon-3:1-800炭材料样品具有最佳的孔结构和最优的电化学性能。它有高达1538.0 m2 g-1的比表面积和3.48 cm3 g-1的大孔容。在以6 mol L-1KOH为电解质的三电极体系中,carbon-3:1-800样品表现出非常优秀的电化学性能,在电流密度为1Ag-1其充放电比电容高达517.4 F g-,这比文献报道过的大多数纳米炭材料的比电容要高。此外,carbon-3:1-800样品还表现出优秀的循环性能。2.利用二苯基碳酰二肼充当碳源、六水硝酸镁充当模板,采用直接炭化法制备了多孔炭材料。结果表明,二苯基碳酰二肼和六水硝酸镁的质量比对多孔炭的形貌以及电化学性能有重要影响,当二苯基碳酰二肼和六水硝酸镁的质量比为2:1时,制备出的多孔炭材料carbon-2:1样品拥有最大的比表面积,达到1366 m2g-1;总的孔容有0.86 cm3g-1。在6 mol L-1 KOH电解质的三电极体系中carbon-2:1样品也表现出良好的循环稳定性和优越的电化学性能——电流密度为1Ag-1时,质量比电容达到323.5 F g-。为了进一步提高carbon-2:1样品的电化学性能,在基于carbon-2:1炭材料样品的电极中分别引入,8/16/24 mg的二苯基碳酰二肼充当氧化还原添加剂并分别记作carbon-2:1-8/16/24电极。结果表明,在2Ag-1时carbon-2:1-8/16/24的质量比电容分别为345.4,540.9和808.6 F g-1,分别是原比电容的1.54,2.21和3.53倍。此外,carbon-2:1-24还表现出较好的电化学稳定性——5000次循环后,质量比电容的保持率达到77.5%。3.在这项工作中,阐述了两种新型的氧化还原添加剂二苯基碳酰二肼和二苯基偶氮碳酰肼。在基于炭材料的超级电容器电极中添加氧化还原添加剂后能够发生快速且可逆的氧化还原反应。结果表明4个电子和4个质子的快速转移能够产生额外的赝电容。当引入24 mg的二苯基碳酰二肼或二苯基偶氮碳酰肼到包含24 mg炭的超级电容器电极中,其比电容获得了极大的提升,在电流密度为2Ag-1时比电容分别达到了544.3和427.6 F g-,分别为原比电容(126.1 Fg-1)的4.31和3.39倍。除此之外,经过5000次的充放电循环,在相同电流密度下的比电容保持率分别为78.9%和75.6%。不难发现,添加了氧化还原剂的循环后的充放电比电容的保持率小于未添加氧化还原剂的充放电比电容的保持率(96.8%),这是因为添加了氧化还原剂的超级电容器循环后其电阻变大的缘故。二苯基碳酰二肼和二苯基偶氮碳酰肼氧化还原添加剂具有廉价高效和原料易得的特性,可被用于电化学性能要求较高的超级电容器。

关键词：二苯基碳酰二肼纳米多孔炭超级电容器模板炭化法氧化还原添加剂

基于金属有机框架衍生材料构建高性能锌离子混合电容器

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基于金属有机框架衍生材料构建高性能锌离子混合电容器

作者：吴杰兰州理工大学

学位级别：硕士

研究和开发兼具高能量密度、高功率输出和长循环寿命的新型电化学储能器件是推进高效、可再生能源存储的有效途径之一。金属离子混合电容器作为一种新型的电化学储能器件,因兼具传统超级电容器与二次可充电电池的优点而备受关注。其中,... 详细信息

研究和开发兼具高能量密度、高功率输出和长循环寿命的新型电化学储能器件是推进高效、可再生能源存储的有效途径之一。金属离子混合电容器作为一种新型的电化学储能器件,因兼具传统超级电容器与二次可充电电池的优点而备受关注。其中,因金属锌储量丰富、价格低廉、无毒且在水中具有良好的稳定性,锌离子混合电容器(ZIHCs)在诸多储能器件中脱颖而出,成为了近年来的研究热点,也已取得了一定的研究进展。然而,由于锌枝晶的问题以及电容型材料比电容较低等因素,阻碍了锌离子混合电容器的实际应用,构建高比表面积、分级多孔结构以及杂原子掺杂的电容型碳材料,以及设计合成能有效、快速嵌入/脱出锌离子的电池型材料,都是提高锌离子混合电容器性能的有效措施。本论文从金属有机框架(MOFs)出发,结合炭化工艺,通过化学活化法,制备了结构稳定且电化学性能优异的一系列电容型纳米多孔碳材料和电池型钒基材料,通过筛选得到优化的电解液,优化组装工艺,构建了一系列高性能的ZIHCs。本论文的具体研究内容如下:(1)以钒基金属有机框架MIL-47(V)为前驱体,结合KOH活化法制备了一系列高比表面积的分级多孔炭材料(MPC),系统研究了KOH用量对衍生炭材料比表面积、孔隙率和孔径分布的影响,分析不同孔隙结构对材料电容性能的影响规律,筛选出具有最佳电容性能的碳材料作为锌离子混合电容器电容型正极,金属锌箔作为电池型负极,组装高性能ZIHC器件,能量密度高达130.1 W h kg,最大功率输出为7.8 k W kg。在10 A g的电流密度下循环10000圈,容量保持率为96.7%,显示出优异的循环稳定性。(2)以MIL-47(V)为前驱体,利用其在空气中高温热解可控制备具有高比表面积的多孔纳米棒状材料M-VO/C。研究了该材料在不同电解液中的储锌性能,通过筛选得到优化的电解液。同时,系统研究了该正极材料的储能动力学行为以及锌离子扩散系数。因其稳定的结构、丰富的孔结构以及发达的导电网络,使得M-VO/C具有快速动力学行为,以其为电池型正极,MIL-47(V)衍生多孔炭(MPC)为电容型负极,通过优化正负极质量配比,成功组装了ZIHC器件。该器件表现出优异的倍率性能和良好的循环稳定性,可以实现26.6 W h kg的能量密度和16 k W kg的功率输出。在5 A g的电流密度下循环5 000圈后,容量保持率为71%,表现出良好的循环稳定性。(3)水热法制备了片状VO,并以其为载体,在其表面设计生长含氮金属有机框架(ZIF-8),并通过在氩气中不同温度热解,制备了氮掺杂碳包覆的钒酸锌纳米复合材料(ZnVO/NC),研究了不同退火温度对材料晶体结构、比表面积以及孔结构等微观结构以及储能性能的影响规律,筛选材料最优制备条件。细致分析了材料的储能动力学行为,计算了锌离子扩散系数,系统了解该材料的储能特征。以其为电池型正极材料,MIL-47(V)衍生多孔炭为电容型负极,通过优化正负极质量配比,构建的ZIHC器件表现出良好的电化学性能,可实现22.3Wh kg的能量密度和8 k W kg的功率输出以及良好的循环稳定性(5 A g的电流密度下循环4 000圈后,容量保持率为82.7%)。

关键词：锌离子混合电容器金属有机框架纳米多孔炭钒基材料电化学储能

二维模板炭材料与氧化还原型电解液添加剂对超电容性能研究

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二维模板炭材料与氧化还原型电解液添加剂对超电容性能研究

作者：孙晓娜合肥工业大学

学位级别：硕士

超级电容器作为一种新型的储能装置,因其具有高功率密度、长循环寿命、高倍率性能等优点而引起了科研工作者的广泛关注。然而,超级电容器具有能量密度较低的缺点,在一定程度上限制了其发展。因此,为了进一步提高超级电容器的能量密度,... 详细信息

超级电容器作为一种新型的储能装置,因其具有高功率密度、长循环寿命、高倍率性能等优点而引起了科研工作者的广泛关注。然而,超级电容器具有能量密度较低的缺点,在一定程度上限制了其发展。因此,为了进一步提高超级电容器的能量密度,大量研究工作集中在设计电极材料和电解液体系上。本论文研究中,首先呈现了一种直接有效的模板炭化法来制备高性能的炭基电极材料,其次通过添加少量的氧化还原添加剂到电解液中进一步来提高超级电容器的电容性能,并对其反应机理进行详细的研究。论文的主要内容如下:1.采用模板炭化法制备高比表面积(2208 m2 g-1)的二维纳米多孔炭材料。其中,葡萄糖作为碳源,硝酸锌为模板。此外,提出一种新型的氧化还原介质硫酸亚铁铵(简称为FAS)添加到酸性电解液H2S04中并调节二电极体系中的电压窗口可以极大地提高超级电容器的电容和能量密度。而且,把FAS作为添加剂加到传统的H2S04到电解液,到目前为止还没有相关的研究。当超级电容器的电压窗口调节为-0.5～0.5V,将0.39 molL-1的FAS添加到1 mol L-1 H2S04电解液中,在电流密度为10Ag-1时超电容产生1499Fg-1的超高比电容,几乎是没有添加FAS的空白样品比电容值(53 F g-1)的28倍,其增加的倍数远远高于之前的相关文献报道。而且令人惊奇的是,其最大能量密度可高达58.70 Wh kg-1。该样品性能的显著提高不仅与电解液添加剂FAS发生法拉第氧化还原反应而产生额外的赝电容有关,而且与边缘活性炭原子对Fe2+/Fe3+,NH4+等离子表现出优异的电吸附也有关。另外,调节电压窗口也对超级电容器的电容性能起着至关重要的作用。在本节实验中结果表明:当超级电容器的电压窗口调节为-0.5～0.5V,其电容性能和能量效率达到最佳。2.如何大规模生产二维炭材料仍然是一个有趣的问题,在本节工作中,通过简单的模板炭化法,已经制备出了具有大比表面积为1229 m2 g-1和高孔容为1.66 cm3 g-1的二维纳米炭材料。其中,采用硬脂酸钠和镁粉分别作为碳源和模板。更为重要的是,我们展示了由KI和蒽醌-2-磺酸钠(AQS)组成的二元氧化还原添加剂以提高超级电容器的比电容。迄今为止,在正负两极上同时发生氧化还原反应的机理,特别是二元氧化还原添加剂的反应机理尚不清楚。因此,进一步探索和理解这一类型的反应机理对于超级电容器的实际应用是非常必要的。此外,采用中性电解液KN03可以扩宽炭基超级电容器的工作电压窗口。结果表明:KI和AQS分别在正极和负极发生氧化还原反应,而且呈现的工作电压窗口高达1.8V,远远大于水的理论分解电压(1.23V)。当二元氧化还原添加剂KI和AQS添加到KN03电解液中,当功率密度为1000 W kg-1时,超级电容器的能量密度高达33.81 Wh kg-1,其值远远高于没有任何添加剂的空-样品的能量密度(在相同功率密度下,其值为9.40 Whkg-1)。此外,该超级电容器还具有较低的自放电和优异的循环稳定性。

关键词：纳米多孔炭氧化还原添加剂能量密度超级电容器