基于膨脹反應的多孔炭材料的制備及其電化學性能研究

基于膨脹反應的多孔炭材料的制備及其電化學性能研究近年來,隨著世界人口數(shù)量的不斷增加,人均經(jīng)濟生活水平得到不斷提高,地球上可利用的能源卻日益減少,環(huán)境也逐漸惡化,這種種現(xiàn)象引起了人們廣泛的擔憂,因此尋找一種綠色、可持續(xù)、高效、快速的儲能元件已成為人類生存發(fā)展的重中之重。超級電容器作為一種新型儲能器件,具有能量密度高、綠色環(huán)保、工作溫度范圍廣、使用壽命長、可實現(xiàn)瞬時大電流放電等優(yōu)點,因此引起了越來越多人的關注。作為超級電容器的重要組成部分,電極材料在很大程度上決定了超級電容器的電化學性能,因此我們必須找到具有高電容的新型良好電極材料。其中,炭材料由于具有比表面積較高、導電性良好、制備工藝簡單、微觀結構可調節(jié)、形式多樣、化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點,被廣泛用于高性能電極材料的制備。本論文以經(jīng)典化學實驗“法老之蛇”為靈感,采用過期蔗糖粉為炭源,經(jīng)過濃硫酸脫水膨脹,制備多孔炭材料;并研究向其中加入細菌纖維素作為混合炭源來制備復合多孔炭材料;以及通過蔗糖粉燃燒膨脹的方法制備多孔炭材料。通過SEM、TEM、XRD、XPS、BET、Raman和電化學測試等相關技術對制備得到的炭材料的微觀結構、性質以及電化學性能進行分析研究,主要有以下三方面研究內容:（1）以過期蔗糖粉為炭源,通過蔗糖粉與濃硫酸反應獲得疏松多孔的前驅體。采用KOH作為活化劑,氬氣作為保護氣體,高溫條件下進行熱解活化,制備得到疏松多孔的炭材料。所制備的多孔炭材料具有豐富的孔狀結構以及較高的比表面積(1698m²g^-1)。經(jīng)電化學測試表明,經(jīng)過800°C高溫熱解活化得到的炭材料在6M的KOH電解液中,1Ag^-1電流密度下,比電容高達270Fg^-1,并表現(xiàn)出極佳的循環(huán)穩(wěn)定性。與未經(jīng)過膨脹反應步驟制得的材料相比,經(jīng)過膨脹反應步驟制得的材料具有更大比表面積以及更優(yōu)異的電化學性能。這進一步說明利用此方法制備多孔炭材料是成功的。（2）將經(jīng)過濃硫酸預處理制得的疏松炭材料（HZTC）與具有三維網(wǎng)絡空間結構的生物質細菌纖維素（BC）混合作為炭源,KOH作為活化劑,氬氣為保護氣體的條件下,經(jīng)高溫熱解活化,成功制備出高比表面積的三維網(wǎng)狀多孔炭材料XHZTC-800-n。結果表明,樣品具有無定型結構,且呈現(xiàn)出互通交錯的三維網(wǎng)絡空間結構,經(jīng)BET測試結果表明,該材料的比表面積最大可達1910m²g^-1,并且主要為微介孔結構,這將有利于電解質離子快速遷移以及雙電層電容的形成,對電化學性能的提升提供非常有效的幫助。循環(huán)伏安法測試以及恒電流充放電測試表明該材料循環(huán)可逆性良好,有著較好的充放電效率,呈現(xiàn)出良好的雙電層電容行為。在6M的KOH電解液環(huán)境中,1Ag^-1的電流密度下,XHZTC-800-2有高達309Fg^-1的比電容,經(jīng)過5000次充放電循環(huán)后,其電容保持率高達96%。（3）以過期蔗糖粉為炭源,NaHCO₃為化學發(fā)泡劑,將其混合點燃,利用碳酸氫鈉受熱分解產(chǎn)生大量二氧化碳氣體的特點,可以使蔗糖粉在二氧化碳氣體的作用下,轉變成具有疏松骨架的“蛇狀”多孔炭前驅體,將氬氣作為保護氣體,KOH作為活化劑,在高溫條件下熱解活化成功制得多孔炭材料BZTC-T。制備得到的多孔炭材料為無定型炭,具有較大的比表面積以及合理的孔徑分布,當高溫熱解活化溫度為800°C時,比表面積高達3540m²g^-1。循環(huán)伏安法測試以及恒電流充放電測試結果表明材料循環(huán)可逆性良好,有著較好的充放電效率,呈現(xiàn)出良好的雙電層電容行為,通過溫度梯度實驗對比發(fā)現(xiàn),BZTC-800具有最佳的電化學性能,在6M的KOH電解液中,1Ag^-1的電流密度下具有高達289Fg^-1的比電容,在經(jīng)過5000次充放電循環(huán)后,其電容保持率高達95.8%,因此表明該