超級電容器用豆粕活性炭電極材料的制備及其儲能行為研究.pdf

1、超級電容器是一種介于傳統(tǒng)介質(zhì)電容器與電池之間的新型儲能元件，與傳統(tǒng)電容器相比具有高的能量密度，與電池相比具有高的功率密度及超長壽命，作為能儲裝置具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。碳質(zhì)材料因其高的比表面積、制備工藝簡單、微結(jié)構(gòu)易調(diào)節(jié)、形式多樣以及具有良好的導(dǎo)電性及電化學(xué)穩(wěn)定性廣泛用于超級電容器電極材料。生物質(zhì)材料可再生、來源廣泛且價(jià)格低廉，是制備多孔碳材料的首選碳源，研究和開發(fā)具有高比表面積及發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的多孔碳材料成為超級電容器電極材

2、料的研究熱點(diǎn)。
　　大豆豆粕是大豆加工副產(chǎn)物，可再生、來源廣泛、價(jià)格低廉。特別是其富含N、O等雜質(zhì)原子，預(yù)示其在制備高比表面積活性炭方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。本學(xué)位論文旨在利用豆粕中所富含N、O等非碳元素在高溫下不穩(wěn)定、易反應(yīng)分解逸出的特點(diǎn)，探索獲得高比表面積活性炭的技術(shù)路徑。主要的研究工作和結(jié)果如下：
　　(1)利用生物質(zhì)中非碳原子高溫下易分解逸出促進(jìn)發(fā)達(dá)孔隙形成的特點(diǎn)，選用KOH和ZnCl2為活化劑，研究探索利用少量活化劑一步法

3、制備具有高比表面積及發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的大豆豆粕活性炭，并對其在堿性電解液中的電容特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　結(jié)果表明：采用一步法制備豆粕活性炭，使用少量KOH活化劑、在較低溫度下可獲得比表面積較高、孔隙結(jié)構(gòu)較發(fā)達(dá)的的碳材料。如：活化溫度為700℃、KOH與豆粕活化比為1:1時(shí)所得豆粕活性炭的比表面積為2664m2g-1，孔體積為1.509cm3g-1，為微/中孔復(fù)合結(jié)構(gòu)，在KOH電解液中，掃速為5mVs-1時(shí)比電容可達(dá)195F g-1。

4、
　　利用ZnCl2作為活化劑可制備富含N元素的豆粕活性炭?；罨瘻囟葹?50℃、ZnCl2與豆粕活化比為1:1時(shí)，所得富N豆粕活性炭的比表面積為1091m2g-1，孔體積為0.562cm3g-1，具有微/中孔復(fù)合分級孔結(jié)構(gòu)，在6M KOH電解液中，掃速為5mVs-1時(shí)比電容為145F g-1。
　　(2)利用兩步法（預(yù)碳化+KOH活化）制備大豆豆粕活性炭，通過預(yù)碳化將大豆豆粕轉(zhuǎn)化為具有初步孔隙結(jié)構(gòu)、由基本石墨微晶構(gòu)成的生物質(zhì)

5、焦炭，然后通過KOH對石墨層間的作用獲得具有分級孔結(jié)構(gòu)且超高比表面積的豆粕活性炭材料。
　　結(jié)果表明：經(jīng)預(yù)碳化后，形成的豆粕焦炭具有一定的強(qiáng)度及初步的孔隙結(jié)構(gòu)，高溫條件下（溫度高于700℃）KOH活化，活化過程存在CO2與水蒸氣的物理活化、K2CO3與K2O的二次活化以及K及其化合物在石墨層間形成層間化合物，活化后所得豆粕活性炭隨著KOH活化溫度的升高及活化比的增大其比表面積先增大后減小，總的孔體積不斷增大，其孔徑由微孔逐漸向中孔

6、過渡。
　　當(dāng)活化溫度為800℃，KOH與豆粕焦炭活化比為3:1時(shí)，豆粕活性炭的比表面積最高，達(dá)到3798m2g-1，孔體積為2.638m3g-1，孔徑由1~2nm的微孔與3~5nm的中孔構(gòu)成，掃速為2mVs-1時(shí)，在水系電解液和有機(jī)電解液中的比電容分別達(dá)到300和211F g-1，表現(xiàn)出良好的功率特性和循環(huán)穩(wěn)定性，在循環(huán)充放電10000次過后，在水系電解液和有機(jī)電解液中其比電容的衰減分別為3％和15%。
　　(3)針對高比

7、表面積豆粕活性炭，分別進(jìn)行O、N元素的摻雜，系統(tǒng)研究了摻雜處理對活性炭微觀結(jié)構(gòu)、比表面積、孔隙以及電容特性的影響。
　　結(jié)果表明：具有超高比表面積的活性炭的孔結(jié)構(gòu)主要是由1~2層的石墨烯片層搭接而成，采用硝酸作為摻氧劑進(jìn)行氧摻雜時(shí)，活性炭微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生坍塌，致使比表面積降低，微孔增多而中孔減少，中孔孔徑由3~5nm降低到2~4nm，從而導(dǎo)致活性炭在KOH電解液中的比電容和功率特性均有所下降。通過比較分析硝酸、過氧化氫與過硫酸銨的摻氧

8、效果，認(rèn)為利用氧化劑進(jìn)行氧摻雜時(shí)，應(yīng)充分考慮碳材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與氧化劑的氧化性之間的匹配性。合理選用與碳材料結(jié)構(gòu)相匹配的氧化劑進(jìn)行氧摻雜才能夠達(dá)到提高多孔碳材料比容量的目的。
　　利用尿素作為摻氮劑對具有超高比表面積的豆粕活性炭進(jìn)行氮元素?fù)诫s，發(fā)現(xiàn)尿素不僅不會破壞活性炭的微觀結(jié)構(gòu)，還能夠通過引入含氮官能團(tuán)增加活性炭的導(dǎo)電性并引入贗電容。當(dāng)尿素與活性炭的摻雜比為2:1時(shí)，所得N摻雜豆粕活性炭在KOH電解液中，掃速5mV s-1時(shí)其比電