本文關(guān)鍵詞：可再生資源制備的碳?xì)饽z及其復(fù)合電極材料的電化學(xué)性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《山東大學(xué)》 2015年

可再生資源制備的碳?xì)饽z及其復(fù)合電極材料的電化學(xué)性能研究

郝品  

【摘要】：超級(jí)電容器作為一種新型的能源存儲(chǔ)器件,填補(bǔ)了電池和傳統(tǒng)電容器之間的空白。但是超級(jí)電容器由于能量密度較低并且制備成本較高,大大限制了其應(yīng)用范圍。因此以價(jià)格低廉的原料制備具有高性能的超級(jí)電容器電極材料是超級(jí)電容器領(lǐng)域最重要的研究方向。采用可再生天然高分子及其衍生物為原材料制備分級(jí)多孔的碳材料不但可以有效的減少電極材料的制備成本,而且符合可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。本論文首先采用工業(yè)廢棄物甘蔗渣及甲殼類動(dòng)物外殼提取物殼聚糖為原料通過成分和孔徑結(jié)構(gòu)調(diào)控制備了分級(jí)多孔的碳?xì)饽z,用于高性能雙電層超級(jí)電容器。并將雙電層電容器電極材料與贗電容器電極材料進(jìn)行復(fù)合,通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成分調(diào)控制備了多孔碳?xì)饽z—無機(jī)納米陣列混合超級(jí)電容器電極材料,實(shí)現(xiàn)了高性能混合超級(jí)電容器電極材料的制備。纖維素是自然界中儲(chǔ)存量最多的天然有機(jī)聚合物。本論文首次采用蔗糖工業(yè)廢棄物甘蔗渣為原料經(jīng)過提純制備出了纖維素,然后通過纖維素溶解、再生、冷凍干燥、高溫碳化和KOH活化等過程制備出了分級(jí)多孔的碳?xì)饽z。纖維素氣凝膠在冷凍干燥過程中形成大孔和介孔,后期活化過程中由于KOH與碳的腐蝕反應(yīng)在大孔和介孔的碳壁上留下了大量的微孔,從而形成了分級(jí)多孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。并通過線性相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)電極材料的電荷儲(chǔ)存能力受微孔體積的影響,而介孔體積則更大程度地決定材料的大電流充放電能力。不同活化溫度下制備的碳?xì)饽z具有不同的比表面積和孔體積,并且由于氣凝膠中無定碳的含量不同而使其導(dǎo)電性也各不相同。當(dāng)活化溫度為700℃,活化劑與碳材料質(zhì)量比為3：1時(shí)制備的碳?xì)饽z具有最優(yōu)異的電化學(xué)性能。在固體電解質(zhì)中兩電極測試體系的比電容最高可達(dá)到142.1 F g-1,經(jīng)5000次連續(xù)充放電后,電容保持率高達(dá)93.9%。當(dāng)功率密度為500 W kg-1時(shí),其能量密度可達(dá)到19.74Wh kg-1。殼聚糖是繼纖維素之后自然界中普遍存在的第二大天然有機(jī)聚合物。本論文首次采用殼聚糖為原料經(jīng)過溶解、冷凍干燥、碳化以及KOH活化制備出了分級(jí)多孔的含氮石墨烯基碳?xì)饽z。殼聚糖溶解于醋酸溶液中,醋酸中的羰基氧可以與殼聚糖分子形成氫鍵,形成平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在快速冷凍和冷凍干燥的過程中,殼聚糖溶液的表面張力使其組裝成薄膜結(jié)構(gòu),進(jìn)而彼此相連形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。碳化后,殼聚糖平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的碳原子原位形成石墨烯層,而無序連接的殼聚糖分子則被碳化為無定形碳。由于殼聚糖分子中含有氨基,碳化后氮原子仍然保留在結(jié)構(gòu)中形成了含氮石墨烯基碳?xì)饽z。不同活化溫度下得到的碳?xì)饽z中無定形碳的含量是不同的。當(dāng)活化溫度為800℃時(shí),大部分的無定形碳被KOH腐蝕,留下了含有大量納米孔的無定形碳顆粒分散在石墨烯層中形成石墨烯—無定形碳—石墨烯復(fù)合三明治結(jié)構(gòu)。石墨烯可以增加材料的導(dǎo)電性,納米孔有利于電荷儲(chǔ)存,因此800℃活化溫度下得到的碳?xì)饽z由于既具有含有大量納米孔的無定形碳,同時(shí)又具有導(dǎo)電性較好的石墨烯層,展現(xiàn)出了最優(yōu)異的電化學(xué)性能。另外,樣品中含氮官能團(tuán)和含氧官能團(tuán)也可以有效提高樣品的電化學(xué)性能。使其在兩電極固體電解質(zhì)中的比電容可達(dá)到197 Fg-1。當(dāng)功率密度為400Wkg-1時(shí),其能量密度可達(dá)到27.4 Wh kg-1。本論文為利用天然可再生有機(jī)聚合物及其衍生物制備具有分級(jí)多孔的碳材料提供了一種切實(shí)可行的制備路線。雖然采用甘蔗渣和殼聚糖制備的多孔碳具有優(yōu)秀的雙電層電化學(xué)行為,但是由于比表面積等的限制,比電容一般只有50～200 Fg-1。因此,本研究通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和組分調(diào)控成功將具有較高理論贗電容的一維無機(jī)納米結(jié)構(gòu)組裝在多孔碳?xì)饽z的表面,實(shí)現(xiàn)了對雙電層-贗電容混合超級(jí)電容器電極材料的性能調(diào)控。首先通過水熱和熱處理制備了MnCo2O4.5納米針／碳?xì)饽z復(fù)合結(jié)構(gòu),研究了不同前驅(qū)液濃度下制備的復(fù)合結(jié)構(gòu)的形貌、組成及電化學(xué)性能。當(dāng)納米針負(fù)載量較少時(shí),碳?xì)饽z的表面不能被MnCo2O4.5納米針全部覆蓋。納米針帶來的正面效應(yīng)與負(fù)面效應(yīng)相抵消,其性能與石墨烯基碳?xì)饽z相比無明顯變化。增加前驅(qū)液的濃度,碳?xì)饽z的表面完全均勻地覆蓋了一層MnCp2O4.5納米針。MnCo2O4.5納米針垂直牢固的組裝在碳?xì)饽z的表面,有利于加快MnCo2O4.5納米針和碳?xì)饽z之間的電荷轉(zhuǎn)移。繼續(xù)增加前驅(qū)液的濃度,碳?xì)饽z的表面負(fù)載過多的MnCo2O4.5納米針,不僅使碳?xì)饽z的表面被完全覆蓋,而且還堆積了大量多余的納米針結(jié)構(gòu)。過多的MnCo2O4.5納米針阻塞了碳?xì)饽z的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),而且由于無機(jī)納米針之間較高的界面電阻,導(dǎo)致樣品的電化學(xué)性能較差。采用最佳前驅(qū)液濃度下制備的MnCo2O4.5納米針/碳?xì)饽z復(fù)合結(jié)構(gòu)為電極材料組裝的對稱超級(jí)電容器在中性電解液中的工作電壓范圍可以達(dá)到1.5 V,因此其在0.2Ag-1下的能量密度可以達(dá)到84.3 Wh kg-1。然后本研究還通過水熱和后期熱處理或者硫化處理成功制備了NiCO2O4納米針/碳?xì)饽z和NiCo2S4納米管/碳?xì)饽z復(fù)合結(jié)構(gòu)。一維Ni-Co納米結(jié)構(gòu)與碳?xì)饽z的表面緊緊連接在一起,加快了兩種材料之間的電荷轉(zhuǎn)移。由于作為骨架的碳?xì)饽z具有分級(jí)多孔的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),因此制備的NiCo2O4納米針/碳?xì)饽z和NiCo2S4納米管/碳?xì)饽z復(fù)合結(jié)構(gòu)與純NiCo2O4和NiCo2S4相比具有較好的快速充放電能力。另外,NiCo2S4中空的管狀結(jié)構(gòu)可以為電解液和活性物質(zhì)之間提供更多的反應(yīng)位點(diǎn),并且具有高于NiCo2O4兩個(gè)數(shù)量級(jí)的電導(dǎo)率,使NiCo2S4納米管/碳?xì)饽z復(fù)合結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出了優(yōu)于NiCo2O4納米針/碳?xì)饽z的電化學(xué)性能。因此,本研究為將一維納米結(jié)構(gòu)組裝到基底材料上制備復(fù)合結(jié)構(gòu)提供了一條有效途徑。本研究以工業(yè)和生活廢棄物提取的天然高分子為主要原料制備了具有高性能的超級(jí)電容器電極材料。通過對碳?xì)饽z晶體結(jié)構(gòu)和孔道結(jié)構(gòu)及其相關(guān)電學(xué)特性的調(diào)控,成功制備了高性能多孔碳雙電層超級(jí)電容器電極材料,并通過將其與贗電容器電極材料進(jìn)行組裝,利用組分、形貌及界面調(diào)控實(shí)現(xiàn)了高效混合型超級(jí)電容器的制備。論文從性能設(shè)計(jì),化學(xué)合成和結(jié)構(gòu)調(diào)控,以及將不同電容器材料復(fù)合,進(jìn)行了深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究,并獲得了高性能的超級(jí)電容器電極材料。對低成本高性能超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)和制備具有重要的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ427.26;TM53
【目錄】：

下載全文 更多同類文獻(xiàn)

CAJ全文下載

(如何獲取全文？ 歡迎：購買知網(wǎng)充值卡、在線充值、在線咨詢)

CAJViewer閱讀器支持CAJ、PDF文件格式

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 韓松,管正捷,古可隆,劉軍利;石油焦制高比表面積粉狀活性炭[J];石油化工;2000年03期

【共引文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 許斌,李鐵虎;中間相瀝青的調(diào)制對納米級(jí)微孔超高表面積活性炭性能的影響[J];材料科學(xué)與工藝;2003年04期

2 詹亮,李開喜,朱星明,宋燕,呂春祥,凌立成;超級(jí)活性炭儲(chǔ)氫性能研究[J];材料科學(xué)與工程;2002年01期

3 楊裕生;曹高萍;;電化學(xué)電容器用多孔炭的性能調(diào)節(jié)[J];電池;2006年01期

4 沈丁;楊紹斌;;酚醛樹脂制備超級(jí)電容器電極材料[J];電子元件與材料;2008年05期

5 許成功;;高比表面積活性炭的制備及其儲(chǔ)氫性能的研究進(jìn)展[J];化學(xué)教育;2006年09期

6 王晶;孫扶;仲建峰;方舟;董擎之;;Preparation of Chitosan-g-PAM PS in H_2O/scCO_2 Inverse Emulsion[J];Journal of Donghua University(English Edition);2013年03期

7 陳銘德;吐爾迪·吾買爾;康雪雅;宋懷河;張璐;王歡歡;;電解液對棉稈基活性炭超級(jí)電容器性能的影響[J];電池工業(yè);2013年Z1期

8 陳群超;李小雪;黃建穎;周雁;;殼聚糖及其衍生物涂膜處理對芥菜品質(zhì)的影響[J];北方園藝;2013年20期

9 Bahman Rahimi-Esboei;Mahdi Fakhar;Aroona Chabra;Mahboobeh Hosseini;;In vitro treatments of Echinococcus granulosus with fungal chitosan,as a novel biomolecule[J];Asian Pacific Journal of Tropical Biomedicine;2013年10期

10 J.V.Thombare;M.C.Rath;S.H.Han;V.J.Fulari;;The influence of monomer concentration on the optical properties of electrochemically synthesized polypyrrole thin films[J];Journal of Semiconductors;2013年10期

中國重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 吳曉萍;王濤;毛偉杰;;分子印跡交聯(lián)殼聚糖樹脂對五種貝肉勻漿液中鎘的脫除效應(yīng)[A];熱帶海洋科學(xué)學(xué)術(shù)研討會(huì)暨第八屆廣東海洋湖沼學(xué)會(huì)、第七屆廣東海洋學(xué)會(huì)會(huì)員代表大會(huì)論文及摘要匯編[C];2013年

2 王芳;郝建薇;;竹基多孔碳材料的制備及其阻燃環(huán)氧樹脂的應(yīng)用[A];2014年全國阻燃學(xué)術(shù)年會(huì)會(huì)議論文集[C];2014年

3 原長洲;張校剛;;多級(jí)納微超級(jí)結(jié)構(gòu)電極材料的設(shè)計(jì)、合成及其超電容性能[A];中國化學(xué)會(huì)第29屆學(xué)術(shù)年會(huì)摘要集——第24分會(huì)：化學(xué)電源[C];2014年

4 胡靜;王旭歌;肖作兵;;天然精油納米膠囊對冷鮮牛肉的保鮮研究[A];第十屆中國香料香精學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2014年

5 張煥;朱霄;;殼聚糖在1-丁基-3-甲基咪唑氯離子液體及其DMF溶液中的溶解性能研究[A];2015年中國化工學(xué)會(huì)年會(huì)論文集[C];2015年

6 辛凡文;李克健;王洪學(xué);周升;桑磊;;高比表面活性炭的研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[A];2015年中國化工學(xué)會(huì)年會(huì)論文集[C];2015年

7 趙巖;袁壽其;李華明;;鈷酸錳納米花的制備及其電化學(xué)性能研究[A];2015年中國化工學(xué)會(huì)年會(huì)論文集[C];2015年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 高博;苯磺酸功能化碳納米管基復(fù)合材料的制備及其超電容特性[D];南京航空航天大學(xué);2010年

2 張治安;基于氧化錳和炭材料的超級(jí)電容器研究[D];電子科技大學(xué);2005年

3 慈穎;基于碳材料和氧化釕超級(jí)電容器的研究[D];中國科學(xué)院研究生院（理化技術(shù)研究所）;2007年

4 鮑祺;硫酸鹽還原菌腐蝕機(jī)理及復(fù)合殺菌劑的研究[D];中國科學(xué)院研究生院（海洋研究所）;2012年

5 湯虎;基于低溫溶解制備的甲殼素新材料[D];武漢大學(xué);2012年

6 彭湃;竹材主要化學(xué)成分及其點(diǎn)擊化學(xué)和開環(huán)共聚研究[D];華南理工大學(xué);2013年

7 張金輝;超級(jí)電容器復(fù)合電極材料制備及電化學(xué)性能研究[D];燕山大學(xué);2013年

8 程沁園;殼聚糖止血活性及其生物安全性評(píng)價(jià)研究[D];江南大學(xué);2013年

9 馬方奎;基于殼聚糖PLGA納米載體的構(gòu)建及其水解釋藥研究[D];中國海洋大學(xué);2013年

10 梁鵬;稀土改性殼聚糖樹脂的制備、表征及對氟離子的吸附特性研究[D];中國海洋大學(xué);2013年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 吳顏;煉油廠含油污泥與高硫石油焦混合制漿共氣化的研究[D];華東理工大學(xué);2011年

2 沈秋惠;酚醛樹脂基球形活性炭的制備及其對酸性染料吸附脫色的初步研究[D];東華大學(xué);2011年

3 王新征;活性炭材料的制備與研究[D];河北工業(yè)大學(xué);2003年

4 范慧;瀝青催化聚合及微孔炭制備研究[D];南京工業(yè)大學(xué);2004年

5 楊坤彬;提金活性炭制備新技術(shù)的研究及孔結(jié)構(gòu)解析[D];昆明理工大學(xué);2005年

6 周冬蘭;鉛酸/活性炭混合超級(jí)電容器的研究[D];南昌大學(xué);2007年

7 韓露;山西典型煤種制備超級(jí)活性炭的正交試驗(yàn)研究[D];太原理工大學(xué);2008年

8 畢文英;LiMn_2O_4/AC體系電化學(xué)混合電容器的研究[D];天津大學(xué);2007年

9 姚國富;NaOH活化法制備石油焦基電化學(xué)電容器炭電極材料[D];天津大學(xué);2007年

10 姚遠(yuǎn);石油焦改性制備脫硫吸附催化劑的研究[D];山東大學(xué);2008年

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張寧;朱紅;康曉紅;張生生;;直接甲醇燃料電池用碳?xì)饽z載鉑催化劑的研究[J];化工時(shí)刊;2006年04期

2 宓軼捷;沈軍;歐陽玲;韓偉娜;周斌;吳廣明;倪星元;牛錫賢;汪國慶;;摻鎳碳?xì)饽z的特性研究[J];材料導(dǎo)報(bào);2008年S1期

3 歐陽玲;沈軍;周斌;侯今強(qiáng);宓軼捷;張志華;吳廣明;;用于儲(chǔ)氫材料的碳/摻雜碳?xì)饽z研究[J];原子能科學(xué)技術(shù);2008年05期

4 周瑩;唐永建;王朝陽;;碳/摻雜碳?xì)饽z及其研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2010年07期

5 郭志軍;朱紅;張新衛(wèi);;碳?xì)饽z的制備及結(jié)構(gòu)[J];北京交通大學(xué)學(xué)報(bào);2010年06期

6 何蕊;劉振法;;新型碳?xì)饽z的制備及表征[J];河北科技大學(xué)學(xué)報(bào);2013年01期

7 張拴勤,王玨,周斌;碳?xì)饽z的制備及其物性研究[J];同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1999年04期

8 黃小麗;付志兵;易勇;唐永建;王朝陽;;鎳摻雜碳?xì)饽z的脈沖電沉積法制備及表征[J];原子能科學(xué)技術(shù);2014年03期

9 本刊綜合;;“世界上最輕材料”——全碳?xì)饽z[J];晚霞;2013年10期

10 沈軍;薛輝;吳廣明;周斌;;碳?xì)饽z的微結(jié)構(gòu)控制[J];同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2007年06期

中國重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 符若文;雷勇強(qiáng);;碳?xì)饽z的制備及應(yīng)用于超級(jí)電容的研究[A];2004年中國材料研討會(huì)論文摘要集[C];2004年

2 徐翔;周斌;杜艾;劉春澤;沈軍;吳廣明;倪星元;張志華;;微尺寸碳?xì)饽z的制備及其機(jī)械性能研究[A];第五屆北京核學(xué)會(huì)核技術(shù)應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2008年

3 崔丹妮;張志賓;曹小紅;劉云海;;原位磺酸化全碳?xì)饽z及其對鈾(Ⅵ)的吸附性能研究[A];第十三屆全國核化學(xué)與放射化學(xué)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文摘要集[C];2014年

4 劉棟;馬紅彥;沈思婷;徐云龍;李會(huì)平;;常壓干燥制備碳?xì)饽z及其結(jié)構(gòu)與性能研究[A];2006年全國高分子材料科學(xué)與工程研討會(huì)論文集[C];2006年

5 陳勝洲;楊偉;郭娟;劉自力;林維明;;鈷摻雜含氮碳?xì)饽z的制備及性能研究[A];第二十八屆全國化學(xué)與物理電源學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2009年

6 張拴勤;王玨;周斌;蔣偉陽;賴珍荃;陳玲燕;;碳?xì)饽z的納米多孔微結(jié)構(gòu)研究[A];第三屆中國功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];1998年

7 宓軼捷;沈軍;周斌;侯今強(qiáng);歐陽玲;韓偉娜;;摻鎳碳?xì)饽z用于ICF實(shí)驗(yàn)的研究[A];第九屆中國核靶技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)摘要集[C];2007年

8 陳勝洲;楊偉;鄒漢波;劉自力;;碳?xì)饽z前處理對其負(fù)載PtRu催化劑性能影響[A];第六屆全國工業(yè)催化技術(shù)及應(yīng)用年會(huì)論文集[C];2009年

9 歐陽玲;周斌;侯今強(qiáng);宓軼捷;沈軍;吳廣明;倪星元;;ICF用碳?xì)饽z微結(jié)構(gòu)控制和吸附性能研究[A];第九屆中國核靶技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)摘要集[C];2007年

10 袁磊;王朝陽;唐永建;;MnO_2/碳?xì)饽z復(fù)合電極材料的制備與性能研究[A];第十屆中國核靶技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)摘要集[C];2009年

中國重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 記者 朱涵;[N];新華每日電訊;2013年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 常新紅;天然高分子基有機(jī)及碳?xì)饽z的制備、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)研究[D];山東大學(xué);2009年

2 袁磊;碳?xì)饽z儲(chǔ)能電容電極材料的制備與性能研究[D];中國工程物理研究院;2011年

3 郝品;可再生資源制備的碳?xì)饽z及其復(fù)合電極材料的電化學(xué)性能研究[D];山東大學(xué);2015年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前9條

1 劉璇;新型碳?xì)饽z的制備及表征[D];河北工業(yè)大學(xué);2014年

2 孫文童;碳?xì)饽z電吸附水中F~-的研究[D];北京林業(yè)大學(xué);2014年

3 劉羽熙;碳?xì)饽z復(fù)合電極材料的制備及性能研究[D];黑龍江大學(xué);2009年

4 計(jì)亞軍;碳?xì)饽z的合成及在超級(jí)電容器電極材料中的應(yīng)用[D];南京航空航天大學(xué);2007年

5 傅曉燕;碳?xì)饽z/金屬氧化物復(fù)合材料的制備和電化學(xué)性能研究[D];西南科技大學(xué);2015年

6 張立杰;基于海藻酸鈉的碳?xì)饽z材料的制備及結(jié)構(gòu)性能研究[D];青島大學(xué);2015年

7 劉西川;超級(jí)電容器碳?xì)饽z電極材料制備與性能研究[D];西華大學(xué);2012年

8 李悅;超級(jí)離子電容器復(fù)合碳?xì)饽z電極特性的研究[D];電子科技大學(xué);2004年

9 徐榕青;超級(jí)離子電容器碳/氧化鎳復(fù)合氣凝膠電極材料的研究[D];電子科技大學(xué);2003年

  本文關(guān)鍵詞：可再生資源制備的碳?xì)饽z及其復(fù)合電極材料的電化學(xué)性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

，

本文編號(hào)：223318