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气化细渣残碳的低温活化及其在超级电容器中的应用

气化细渣残碳的低温活化及其在超级电容器中的应用

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作者：朱嘉琪内蒙古科技大学

学位级别：硕士

新型储能器件超级电容器的炭电极材料由于其成本低、比表面积大等优点而备受关注并实现了广泛的应用。目前炭电极材料主要以含碳高的煤、生物质、沥青和半焦等为前驱体通过700℃以上的高温火法活化制得。然而,气化渣残碳与上述前驱体属... 详细信息

新型储能器件超级电容器的炭电极材料由于其成本低、比表面积大等优点而备受关注并实现了广泛的应用。目前炭电极材料主要以含碳高的煤、生物质、沥青和半焦等为前驱体通过700℃以上的高温火法活化制得。然而,气化渣残碳与上述前驱体属于同源材料,含有类似的化学成分。若能以低廉的气化渣残碳为原料,通过低温活化技术将其制备为炭电极材料对其实际应用具有极大的推动作用。基于此,本文以某煤化工厂的气化细渣残碳（CK）为研究对象,通过酸碱化学低温活化,制备了一系列炭电极材料,对其形貌结构及电化学性能进行表征与测试,具体研究结果如下:（1）以CK为原料通过KOH低温火法活化,探究了不同碳碱比（1:1、1:2、1:3和1:4）对材料结构及电化学性能的影响。研究结果表明:500℃下活化1.5 h,当碳碱比为1:2时,制得的CK-2材料具有较高的碳含量及较大的比表面积（573m/g）。当电流密度为0.5 A/g时,CK-2材料的电化学性能最好,比电容值达到了86 F/g,是原料CK比电容的2.5倍。将CK-2组装成对称型（CK-2//CK-2）超级电容器,当功率密度为250 W/Kg时能量密度达到了4.75 Wh/Kg。经过10 000次循环稳定性测试,CK-2//CK-2电容器的电容保持率为89%。该结果缘于CK-2较高的含碳量、较丰富的孔结构和较大的比表面积。（2）以CK为原料,通过hno低温活化,增加CK表面含氧官能团,制备一系列炭材料（CN-X）,并探究了不同浓度的hno（1、2、3和4 mol/L）对材料结构以及电化学性能的影响。研究结果表明:在80℃反应1.0 h,当hno浓度为2mol/L时,制得的CN-2材料具有较大的比表面积（619 m/g）、较多的含氧官能团和较小的水接触角（47.3°）。当电流密度为0.5 A/g时,在hno活化的样品中,CN-2材料的电化学性能最好,比电容值达到了97 F/g。将CN-2组装成一个对称型（CN-2//CN-2）超级电容器,在功率密度为250 W/Kg时,能量密度为6.28 Wh/Kg。在10 000次稳定性测试后,CN-2//CN-2电容器的电容保持率为90%。该结果得益于hno氧化修饰于材料表面的具有亲水性的含氧官能团、较丰富的孔结构和较大的比表面积。（3）为了进一步提高材料的电化学性能,以CK-2为前驱体,探究了不同浓度的hno（1、2、3和4 mol/L）对材料结构以及电化学性能的影响。研究结果表明:在80℃化学活化1 h,当hno浓度为2 mol/L时,制得的材料CKN-2具有更大的平均孔径（4.690 nm）、更小的水接触角（41.8°）。当电流密度为0.5 A/g时,CKN-2比电容达到了142 F/g。将CKN-2组装成一个对称型（CKN-2//CKN-2）超级电容器,在功率密度为244.8 W/Kg时,能量密度为6.80 Wh/Kg。CKN-2//CKN-2电容器在经过10 000次的稳定性测试后,其电容保持率为97%。该结果缘于KOH除杂与hno氧化的协同作用。

关键词：气化细渣残碳 KOH活化 hno3活化低温活化超级电容器

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