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木质素基炭纳米片的制备及其电化学性能

林产化学与工业 2019年第1期39卷 67-74页

作者：李继辉孙康宋曜光王傲蒋剑春中国林业科学研究院林产化学工业研究所生物质化学利用国家工程实验室国家林业局林产化学工程重点开放性实验室江苏省生物质能源与材料重点实验室江苏南京210042

为了获得性能优良、成本低廉的二维炭材料,选择木质素磺酸钠为碳源、硼酸作为模板剂,经溶液混合、高温炭化和沸水回流等过程制得木质素基炭纳米片,当m(硼酸)∶m(木质素磺酸钠)为1∶1、5∶1和10∶1时,分别标记为SLB-1、SLB-5和SLB-10。... 详细信息

为了获得性能优良、成本低廉的二维炭材料,选择木质素磺酸钠为碳源、硼酸作为模板剂,经溶液混合、高温炭化和沸水回流等过程制得木质素基炭纳米片,当m(硼酸)∶m(木质素磺酸钠)为1∶1、5∶1和10∶1时,分别标记为SLB-1、SLB-5和SLB-10。通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等手段分析了炭纳米片的微观形貌,采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和激光拉曼光谱等手段检测了炭纳米片的晶体结构、元素组成和表面性质,通过循环伏安(CV)、恒电流充放电(GCD)和交流阻抗(EIS)等方法检测了炭纳米片的电化学性能,结果表明:SLB-5具有完好的二维片层结构,通过调整硼酸与木质素磺酸钠的质量比,可以有效调控炭纳米片的厚度。SLB-5具有一定的石墨化程度,模板剂被完全去除,含氧元素高达16.63%,同时,SLB-5炭纳米片厚度达到纳米级,电流密度为1 A/g时比电容为350.79 F/g,电流密度增加到10 A/g时比电容仍可以保持79.95%,循环5 000次后比电容可以保持90%以上。

关键词：炭纳米片木质素模板法超级电容器

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高电容氮硫共掺杂多孔炭纳米片的制备

山东化工 2022年第13期51卷 15-18,22页

作者：屈少杰张雅如蒋文健余梦婷孙磊陈崇宿州学院化学化工学院安徽宿州234000

提供一种新型的超级电容器用高电容氮硫共掺杂多孔炭纳米片的制备方法,该方法操作简单、时间周期短、重复性好。以葡萄糖酸钙为碳源、氢氧化钾为活化剂、硫脲为氮硫源,通过直接碳化法制备出氮硫共掺杂多孔炭纳米片,并用于超级电容器的... 详细信息

提供一种新型的超级电容器用高电容氮硫共掺杂多孔炭纳米片的制备方法,该方法操作简单、时间周期短、重复性好。以葡萄糖酸钙为碳源、氢氧化钾为活化剂、硫脲为氮硫源,通过直接碳化法制备出氮硫共掺杂多孔炭纳米片,并用于超级电容器的电极材料。通过扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、X射线衍射仪、拉曼以及氮气吸脱附测试分析,氮硫共掺杂多孔炭纳米片具有高比表面积(491 m^(2)·g^(-1))、高氮掺杂量(8.1%)、高硫掺杂量(3.7%)以及分级孔道结构,并在6 mol·L^(-1)的KOH水溶液中表现出良好的电化学性能。当电流密度为0.2 A·g^(-1)时,其质量比电容高至221 F·g^(-1),在20 A·g^(-1)时,其质量比电容可以达到144 F·g^(-1),质量比电容保持率高达65%,而且经过5000次充放电循环的电容保持率高达100%。该方法制备出的氮硫共掺杂多孔炭纳米片不仅表现出较大实际应用潜力,而且为寻找电化学性能优异的氮硫共掺杂电极材料奠定基础。

关键词：炭纳米片氮硫共掺杂超级电容器

模板协同化学活化法制备超级电容器用炭纳米片及其电化学性能

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模板协同化学活化法制备超级电容器用炭纳米片及其电化学性能

作者：邵小龙安徽工业大学

学位级别：硕士

本文分别以煤焦油和蒽油为碳源,以氧化镁和三聚氰胺为模板,KOH为活化剂,制备了炭纳米片材料。采用氮吸脱附、FESEM、TEM、XRD、XPS、Raman等手段对所制备的炭材料的形貌结构及化学组成进行分析。通过循环伏安、恒流充放电及交流阻抗谱... 详细信息

本文分别以煤焦油和蒽油为碳源,以氧化镁和三聚氰胺为模板,KOH为活化剂,制备了炭纳米片材料。采用氮吸脱附、FESEM、TEM、XRD、XPS、Raman等手段对所制备的炭材料的形貌结构及化学组成进行分析。通过循环伏安、恒流充放电及交流阻抗谱研究其在不同电解液中的电化学性能。主要结论如下:(1)以煤焦油为碳源,三聚氰胺为模板,KOH为活化剂,制得了多孔炭纳米片(PCNs)。当煤焦油、三聚氰胺、KOH的质量分别为6g、3g、12g,在氮气气氛下活化终温为800℃时,制备的材料命名为PCN800-N2。随着活化温度的升高,多孔材料的比表面积从1336 m2 g-1增大到1865 m2 g-1,总孔孔容从0.62 cm3 g-1升高到0.91 cm3 g-1,平均孔径从1.86 nm增大到1.94 nm。当电流密度为0.05 A g-1时,PCN800-N2的比容为274 F g-1,能量密度为9.5 Wh kg-1。当电流密度增加到20 A g-1时,PCN800-N2的比容为191 F g-1,能量密度为4.2 Wh kg-1,容量保持率为69.7%。PCN800-N2电极在5 A g-1下经过10000次循环充放电以后,比容保持率为92.1%,显示了很好的循环稳定性。(2)在上述实验基础上,以煤焦油为碳源,同时将模板替换为氧化镁,制得了相互连接的层状炭纳米片(ILCNs)。当煤焦油、氧化镁、KOH的质量分别为6g、9g、12g,活化终温为900℃时,制备的材料命名为ILCN2-900。随着活化温度的升高或者活化剂/碳源质量比的增大,所得的材料的比表面积和微孔比表面积均减小,平均孔径增大,产率降低。ILCN的比表面积介于2350887 m2 g-1之间,平均孔径介于2.27.78 nm之间。当电流密度为0.05 A g-1时,ILCN2-900的比容为313 F g-1,能量密度为10.9 Wh kg-1;当电流密度增加到20 A g-1时,其比容为261 F g-1,能量密度为7.6 Wh kg-1,容量保持率为83.4%。ILCN2-900在5 A g-1下经过10000次循环充放电以后,比容保持率为92.7%。(3)在上述实验基础上,将碳源替换为蒽油,制得了相互连接的多孔炭纳米片(IPCNs)。当蒽油、氧化镁、KOH的质量分别为6g、9g、12g,活化终温为950℃时,制备的材料命名为ILCN9-950。所得材料的比表面积介于2942342 m2g-1之间,总孔容介于2.31.75 cm3 g-1之间,平均孔径介于2.77.10 nm之间。在离子电解液中,当电流密度为0.05 A g-1时,IPCN9-950的比容为271 F g-1,能量密度为150.4 Wh kg-1;当电流密度增加到20 A g-1时,其比容为159 F g-1,能量密度为37.0 Wh kg-1,容量保持率为58.7%。在6 M KOH电解液中,当电流密度为0.05 A g-1时,IPCN9-900的比容和能量密度分别为300 F g-1和10.4 Wh kg-1。在5 A g-1下经10000次循环充放电后,其容量保持为89.7%。

关键词：超级电容器煤焦油蒽油炭纳米片

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蛭石模板法炭纳米片的制备及其储能特性研究

蛭石模板法炭纳米片的制备及其储能特性研究

作者：王振帅河南理工大学

学位级别：硕士

锂离子电池作为一种新型绿色储能器件,具有广阔的应用前景和巨大的经济价值。负极材料作为锂离子电池的核心部件之一,参与整个电池的电化学反应,是决定电池性能的关键因素。目前传统石墨负极材料因存在可逆容量有限(理论容量仅为372m Ah... 详细信息

锂离子电池作为一种新型绿色储能器件,具有广阔的应用前景和巨大的经济价值。负极材料作为锂离子电池的核心部件之一,参与整个电池的电化学反应,是决定电池性能的关键因素。目前传统石墨负极材料因存在可逆容量有限(理论容量仅为372m Ah/g)、离子扩散动力学和电解液兼容性较差、体积膨胀率较高等问题,难以满足新能源汽车等对高性能储能器件的要求。因此,开发高性能负极材料对提高锂离子电池的性能至关重要。本论文基于天然矿物-蛭石具有独特层状结构,且层间空间可调控的特点,以葡萄糖、蔗糖、淀粉、煤沥青、腐植酸和植酸等碳质前驱体为碳源,膨胀蛭石为模板,通过液相浸渍插层作用将碳源分子引入蛭石模板的层间区域,采用空间限域炭化法制备不同类型炭纳米片,通过SEM、TEM、XRD、AFM及XPS等方法系统研究炭纳米片的微观结构和形成机理,并探索其用作锂离子电池负极材料的储能特性。研究表明,天然蛭石经热处理改性可显著增加其有序堆叠片层结构的层间距,从而获得具有更大插层空间的膨胀蛭石。以葡萄糖、蔗糖和淀粉等糖类前驱体为碳源,膨胀蛭石为模板,采用空间限域炭化法可制备出富含石墨微晶片层和纳米孔道、结构缺陷等无定形炭共存的糖基炭纳米片。通过改变模板与碳源的质量比和碳源分子量可实现炭纳米片纳米片厚度、石墨微晶片层、无定形炭等微观结构和表面化学性质的调控。其中,淀粉基炭纳米片(Starch-CNSs)含有大量的规整有序的石墨微晶片层和纳米孔道、结构缺陷等无定形炭以及丰富的含氧官能团,其比表面积达400 m·g,纳米片厚度为3.934nm。当用作锂离子电池负极材料时展现出优异的储锂特性,兼具高首次库伦效率(56%)、高可逆容量(在0.05 A/g电流密度下可逆容量739 m Ah/g)、卓越的倍率性能(2 A/g大电流密度下可逆容量仍可维持在253 m Ah/g)和优异的循环稳定性(0.1A/g电流密度循环100次后可逆容量由最初的521增大至535m Ah/g)。以工业副产物煤沥青为碳质前躯体,以甲苯和乙酸乙酯有机溶剂为萃取剂提取稠环芳烃,以膨胀蛭石为模板,通过液相浸渍插层作用将稠环芳烃分子引入蛭石模板的层间区域,采用空间限域炭化法制备煤沥青基炭纳米片TECNSs(甲苯萃取剂)和EECNSs(乙酸乙酯萃取剂)。TECNSs和EECNSs均具有多层石墨烯片层结构和以中孔为主的层次孔结构以及O、N等杂原子官能团,其比表面积分别是271和297 m·g,总孔容分别是0.538和0.558 cm·g。煤沥青基炭纳米片用于锂离子电池负极材料在比容量、倍率性能和循环稳定性方面表现出优异的电化学性能。尤其,EECNSs在0.05 A/g时可以提供高的初始可逆容量1147 m Ah/g,在2A/g大电流密度下可逆容量仍然维持在510 m Ah/g,在0.1A/g电流密度下循环100圈后仍能以97.6%的库伦效率维持809 m Ah/g的可逆容量。以绿色、可再生的生化黄腐植酸为碳质前驱体,膨胀蛭石为模板,采用空间限域炭化法制备具有高比表面积(642 m·g)和较高总孔容(0.537 cm·g)的腐植酸基多孔炭纳米片FA-PCNSs。该纳米片由十几层的石墨烯片有序堆叠而成,厚度为4.889nm,具有大孔、中孔、微孔组成的层次孔结构和丰富的含氧/氮官能团。用于锂离子电池负极材料时展现出卓越的储锂性能,在0.05A/g的电流密度下,可逆容量高达983m Ah/g,在5A/g超高电流密度下,仍能维持235 m Ah/g的可逆容量,经过300次循环后,FA-PCNSs仍能在5A/g超高电流密度下以99.95%的库伦效率维持174 m Ah/g的可逆容量,表现出较高的可逆容量、优异的倍率性能和长循环性能。以富含碳和磷元素的植酸为前驱体,膨胀蛭石为模板,采用空间限域炭化法制备磷掺杂炭纳米片P-CNSs。该纳米片由十层左右的石墨烯片堆叠而成,厚度约为4.325nm。其比表面积达到746 m·g,中孔率高达93.2%,磷元素含量达到2.25%。用于锂离子电池负极材料时具有优异的储锂性能,在0.05A/g的电流密度下可逆容量高达1704 m Ah/g,在5A的超高电流密度下,可逆容量仍能维持在280 m Ah/g,经过1000次循环后,可逆容量保持率为89.4%,平均每次损失仅0.01%,展现出超高的可逆容量、优异的倍率性能以及卓越的大电流长循环稳定性。根据不同类型炭纳米片的微观结构和表面化学性质与电化学性能的对应关系,揭示了炭纳米片负极材料的微观结构和表面化学性质对储锂行为的影响机制。炭纳米片优异的储锂特性归因于其二维纳米片结构、规整有序的石墨微晶片层和微孔、中孔、大孔的层次孔以及表面丰富的含氧/氮/磷官能团。图62幅,表21个,参考文献139篇。

关键词：膨胀蛭石模板法空间限域炭化炭纳米片储能特性

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二维硅碳复合材料的制备及其储锂性能

二维硅碳复合材料的制备及其储锂性能

作者：晋展展河南理工大学

学位级别：硕士

锂离子电池作为具有广阔应用前景绿色储能器件,不仅深刻影响了便携式电子领域的发展,并将有力支撑新能源汽车的大规模应用。负极材料作为锂离子电池储存电能的重要部件,成为了提升锂离子电池性能的关键因素。而石墨的低比容量及缓慢扩... 详细信息

锂离子电池作为具有广阔应用前景绿色储能器件,不仅深刻影响了便携式电子领域的发展,并将有力支撑新能源汽车的大规模应用。负极材料作为锂离子电池储存电能的重要部件,成为了提升锂离子电池性能的关键因素。而石墨的低比容量及缓慢扩散动力学,难以满足高性能储能器件的需求。硅基材料由于高比容量、成本低廉成为下一代负极材料的候选材料,但巨大体积变化和内在低电子/离子导电性阻碍其进一步发展。为了克服这些瓶颈问题,本论文利用冰模板法将水溶性碳前驱体(磺化萘、明胶)通过定向组装配合高温炭化制备高性能多孔炭纳米片,利用炭纳米片优异的导电性和高机械强度,通过两者有机结合构筑二维硅碳复合材料,有效改善了硅负极的结构稳定性和电化学性能。以磺化萘(SN)为碳源,利用冰模板法将可溶性碳源自组装制备出多孔炭纳米片(SN-CNS)。SN-CNS具有高比表面积(374 m g)和较高的孔容(0.621 cm g),以及中孔、大孔为主的层次孔结构和丰富的S、O官能团。在0.1 A/g的电流密度下以50.2%的首次库伦效率表现出856 m Ah/g的初始比容量,当电流密度增加至2 A/g时,SN-CNS并以56.3%容量保持率维持了366m Ah/g的可逆比容量。以1 A/g电流密度经过600圈循环后比容量逐渐增加至602 m Ah/g,作为锂离子电池负极材料时展现出优异可逆容量、倍率性能和循环稳定性。以SN为碳源,将Si NPs(硅纳米颗粒)与SN均相混合通过冰模板制备出Si@SCNS复合材料,研究SN与Si NPs的质量比例对复合材料结构和性能的影响。当Si NPs和SN的质量比为1:2时,成功制备出二维硅碳复合材料。将复合材料作为锂离子电池负极材料时,Si@SCNS-1具有高可逆比容量(2094 m Ah/g)和首次库伦效率(84.4%),而Si@SCNS-3在5 A/g下仍维持378 m Ah/g的高可逆比容量。在200 m Ah/g的电流密度下,经过300圈循环,Si@SCNS-3具有820 m Ah/g的高可逆比容量和95.3%的容量保持率。通过冰模板法制备的二维硅碳复合材料在倍率性能及循环性能方面具有突出表现。以绿色、可再生的明胶为碳前驱体,利用亲水性以及富含N/O等杂原子的特点。通过冰模板将明胶大分子多肽链定向组装,制备出氮掺杂炭纳米片并研究了不同炭化温度对其微观结构及电化学性能的影响。明胶衍生碳片(GCNS-800)具有高比表面积(389.3 m/g)和孔体积(0.512 cm/g),以及微孔介孔构成的层次孔结构和N/O官能团的配合,使得GCNS-800表现出最优的循环性能和倍率性能。在0.1 A/g下以53.4%的首次库伦效率获得高达842m Ah/g的可逆比容量。当处于5 A/g的超高电流密度下,仍能保持320 m Ah/g高比容量。在1 A/g下经过300圈循环后,可逆比容量逐渐增加至612 m Ah/g,展现出高倍率性能和卓越的长循环稳定性。以明胶为碳源,利用冰模板法配合高温炭化制备N掺杂二维硅碳复合材料。Si@GCNS复合材料为明胶衍生炭纳米片将硅球均匀包覆于炭片中的结构特点,炭纳米片高机械强度以及导电性使得复合材料具有优良的结构稳定性。用于锂离子电池负极材料展现出优异的电化学性能,在0.2 A/g下具有3035m Ah/g的高可逆容量和85.9%首次库伦效率,当处于5 A/g的高倍率下,仍具有1502 m Ah/g的高比容量。在1 A/g的电流密度下经过300圈循环后,可逆容量维持在1853 m Ah/g。展现出超高的可逆容量、倍率性能和大电流下的循环稳定性。图59幅,表17个,参考文献120篇

关键词：锂离子电池负极材料冰模板炭纳米片硅碳复合材料二维结构

Fe3O4@C纳米片超级电容器电极材料的制备及其电化学性能研究

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林产化学与工业 2018年第5期38卷 9-16页

作者：王傲孙康蒋剑春中国林业科学研究院林产化学工业研究所生物质化学利用国家工程实验室国家林业局林产化学工程重点开放性实验室江苏省生物质能源与材料重点实验室江苏南京210042

以蔗糖为碳源、Fe(NO_3)_3·9H_2O为活性前体、氯化钠为模板剂,通过简单有效的原位沉积结晶和热解等步骤制备了二维Fe_3O_4@C纳米片,采用多种技术手段对Fe_3O_4@C纳米片的结构进行了表征,并测试了其电化学性能。结构表征结果表明:Fe_3O_... 详细信息

以蔗糖为碳源、Fe(NO_3)_3·9H_2O为活性前体、氯化钠为模板剂,通过简单有效的原位沉积结晶和热解等步骤制备了二维Fe_3O_4@C纳米片,采用多种技术手段对Fe_3O_4@C纳米片的结构进行了表征,并测试了其电化学性能。结构表征结果表明:Fe_3O_4@C纳米片由厚度为纳米级的石墨化C片和嵌插在C层表面尺寸分布均匀的Fe_3O_4纳米颗粒组成; Fe_3O_4@C纳米片厚度小于100 nm,比表面积达255 m^2/g,平均孔径为3.79 nm,Fe_3O_4质量分数为36.98%。电化学性能测试结果表明:Fe_3O_4@C纳米片具有较高的比电容量和优异的倍率性能,1 A/g电流密度下比电容量为436 F/g,20 A/g电流密度下比电容量仍高达332 F/g;但循环稳定性较差,10 A/g下充放电500次后的比电容量为178 F/g,仅有初始比电容量的50.71%。

关键词：超级电容器 Fe3O4 炭纳米片电极材料循环稳定性

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二维生物质炭纳米片材料的合成研究进展

合成化学 2020年第6期28卷 558-567页

作者：邓宇秦疆洲赵文军喻兰兰胡霞贵州大学资源与环境工程学院贵州贵阳550025 自然资源部喀斯特环境与地质灾害重点实验室贵州贵阳550025

二维生物质炭纳米片具有独特的物理、化学和电子特性。近年来,具有二维结构、高比表面积、可控杂原子掺杂的生物质炭纳米片的研究发展迅速。本文简单介绍了二维生物质炭纳米片材料的性能,综述了生物质炭纳米片的合成研究进展,列举了生... 详细信息

二维生物质炭纳米片具有独特的物理、化学和电子特性。近年来,具有二维结构、高比表面积、可控杂原子掺杂的生物质炭纳米片的研究发展迅速。本文简单介绍了二维生物质炭纳米片材料的性能,综述了生物质炭纳米片的合成研究进展,列举了生物质炭纳米片在各领域的应用情况,并对具有理想性能的二维生物质炭纳米片的合成策略进行了展望。

关键词：生物质炭纳米片储能合成综述进展展望

沥青烯基纳米片状多孔炭材料的可控制备及其CO2吸附性能

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沥青烯基纳米片状多孔炭材料的可控制备及其CO2吸附性能

作者：秦芳芳太原科技大学

学位级别：硕士

功能炭材料的形貌和尺寸是影响其物理特性和实际应用的关键因素。纳米片状多孔炭材料具有纳米级厚度、高的表面体积比、独特的电子传输性能、优异的化学和热稳定性、表面易修饰等特点,在气体吸附分离、催化、储能等领域具有优良的应用... 详细信息

功能炭材料的形貌和尺寸是影响其物理特性和实际应用的关键因素。纳米片状多孔炭材料具有纳米级厚度、高的表面体积比、独特的电子传输性能、优异的化学和热稳定性、表面易修饰等特点,在气体吸附分离、催化、储能等领域具有优良的应用性能。因此,纳米片状多孔炭材料的可控制备和优化其应用性能是目前炭材料的研究热点。本文以煤焦油沥青烯为原料,根据其分子结构和组成特点,研究了沥青烯(ASP)在酸催化作用下的热缩聚行为;基于沥青烯聚合物的热化学特性,采用盐浴法、自组装法和原位模板法制备了不同形貌的沥青烯基纳米片状多孔炭材料。通过SEM、EDS元素分析、FT-IR、氮气等温吸附等表征手段对其结构、表面化学性质以及不同的制备方法下片层结构的成形机理和炭化过程中化学组成及形貌的演变进行了探究,并考察了沥青烯基炭纳米片状多孔炭材料对CO的吸附性能。主要结论如下:1.在C:N:LiCl/KCl为1:1:9时,用盐浴法制备沥青烯基纳米片状炭材料的比表面积达327 m·g。在此比例下,分别以ASP和氧化沥青烯(ASP(O))为碳源,探究了不同盐浴温度、盐浴时间以及硝酸氧化对于制备炭纳米片的影响,结果表明,以ASP作为碳源时,制备的样品均不具备片状形貌,且比表面积很小。而ASP(O)作为碳源时,盐浴条件决定纳米片状炭材料的形貌。ASP(O)-150/400/600-1h与KOH以1:1比例进行化学活化,得到了比表面积为1717 m·g的沥青烯基炭纳米片ASP(YY)-KOH。经KOH活化后,样品的比表面积是活化之前的5.25倍,微孔率也增加了24.3%。对CO的吸附量从活化之前的2.20 mmol·g提高到3.88 mmol·g,是其对N吸附量的18.8倍。2.以ASP(O-6h)和ASP(O-8h)为碳前体,分别选用HO和THF为溶剂进行结晶凝结后再高温活化,经自组装法制备沥青烯基炭纳米片。以THF为溶剂时,制备的炭纳米片的片层尺寸更薄,这是因为碳前体在THF中分散性更为均一。此外,自组装法生成的炭纳米片ASP(O-8h)-K/U-HO、ASP(O-6h)-K/U-HO、ASP(O-8h)-K/U-THF和ASP(O-6h)-K/U-THF普遍拥有较大的比表面积和孔容积,其中ASP(O-8h)-K/U-THF和ASP(O-6h)-K/U-THF的微孔率高达88%和90%,各样品对CO吸附量分别达到3.95mmol·g、3.27 mmol·g、3.86 mmol·g和3.73 mmol·g。3.以ASP(O)为碳源,尿素热解生成的g-CN纳米片为模板,KOH为活化剂,在不同比例下(1:2:1和1:2:1.2)制备沥青烯基炭纳米片。模板法制备的样品ASP(O)-U-K(1:1.2)比表面积高达1981 m·g,样品ASP(O)-U-K(1:1)的比表面积略低,为1330 m·g。尿素在热解过程中生成大量的NH,使得模板法制备的两个样品的氮含量分别达到了6.88 wt%和3.55 wt%。高的比表面积和高的含氮量使其表现出良好的CO吸附性能,对CO的吸附量分别达到5.17 mmol·g和4.32 mmol·g。

关键词：沥青烯炭纳米片模板法自组装法盐浴法 CO2吸附

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多维度超级电容炭材料结构设计与制备

多维度超级电容炭材料结构设计与制备

作者：李继辉中国林业科学研究院

学位级别：硕士

石油资源的枯竭以及环境问题的日益恶化,使得人类对于清洁可再生能源以及高性能储能器件的需求迫在眉睫。超级电容器是一种介于传统的电容器以及二次电池之间的储能设备,具有功率密度高、充电速度快、使用温度范围广等优点,被广泛应用... 详细信息

石油资源的枯竭以及环境问题的日益恶化,使得人类对于清洁可再生能源以及高性能储能器件的需求迫在眉睫。超级电容器是一种介于传统的电容器以及二次电池之间的储能设备,具有功率密度高、充电速度快、使用温度范围广等优点,被广泛应用于电动汽车、轨道交通、柔性储能设备等。电极材料是影响超级电容器电化学性能的关键,活性炭其具有比表面积大、化学性质稳定等优点,是目前市面上应用范围最广的电极材料。但是传统的活性炭材料存在孔隙结构复杂、制备过程繁琐、比电容较低等问题,已不能满足未来对于储能设备不断增长的需求。理想的电极材料应该具备以下特征:较大的比表面积、理想的孔隙结构、丰富的活性位点、良好的导电性以及原料丰富。为了提升传统炭材料的电化学性能,本论文针对炭材料的缺陷,从材料形貌、孔隙结构以及引入赝电容材料等方面对炭材料进行了优化。主要研究内容和成果如下所示:(1)三维多孔蜂窝状炭材料的制备及其电化学性能研究以海藻酸钠为原料,利用海藻酸盐热解过程中发生体积膨胀的特性,创新了一步炭化法制备三维多孔蜂巢状炭材料,探讨了制备过程的关键步骤即升温速率对于炭材料的形貌、孔道结构以及电化学性能的影响。经过检测分析比较,以6℃/min的升温速率得到的炭具有最理想的纳米结构及电化学行性能。该材料具有丰富的气泡状单元组成的蜂巢状框架,开放的通道极大的较少了电解液在电极材料内部的传输阻力,在电流密度为1A/g时,比电容高达339 F/g,在电流密度20 A/g时比电容可以保持85%以上,同时,该电极材料良好的循环稳定性。(2)木质素基炭纳米片的制备及其电化学性能以木质素磺酸钠为碳源,以硼酸为功能性模板剂,通过模板法成功制备了木质素基炭纳米片,系统的研究了碳源与模板剂的质量比对于材料的形貌以及电化学性能的影响。研究发现,随着硼酸用量的增加,形成的炭纳米片的厚度逐渐减小,但是模板剂的含量过多则会破坏二维片层结构,当硼酸与木质素磺酸钠的质量比5:1时获得的炭材料具有最为理想的二维炭纳米片的结构特征。通过电化学性能测试,该材料在电流密度为1A/g时比电容为350 F/g,在电流密度为10 A/g时比电容仍可以保持80%,展现了良好的倍率性能,在电流密度为5 A/g时循环工作5000圈,比电容可以保持90%以上,是一种极具前景的超级电容器电极材料。(3)原位自组装法制备二维炭基FeO及其电化学性能研究以海藻酸钠为碳源,通过Fe的引入成功制备炭基金属氧化物复合材料,其中海藻酸钠的线性分子通过与Fe之间的螯合作用自组装成二维片状结构,Fe得到有效的分散,且尺寸得到了有效控制。通过SEM,TEM等手段对该复合材料的形貌进行表征,发现其结构为以二维炭材料为基底,均匀镶嵌着纳米尺寸的FeO纳米颗粒,促进电解液传输的同时提供了大量的活性位点产生赝电容,在电流密度为1 A/g时比电容可以达到550F/g以上,经过2000次循环充放电之后仍然可以保持89%的比电容,展现了良好的电化学性能。

关键词：超级电容器生物基材料蜂巢炭炭纳米片复合材料