论文部分内容阅读
活性炭具有比表面积大、导电、导热性能高等优点,在吸附剂、催化剂载体和电化学等领域中具有广泛的应用。本文以生物质(葡萄糖、虾壳)为碳源,采用掺杂和化学活化法成功制备出系列活性炭。采用多种技术手段对所得材料的形貌和结构进行表征,并考察其作为超级电容器电极材料的电化学性能。主要结论如下:1、以葡萄糖基炭微球(HCs)为前驱体,三聚氰胺和KOH分别为氮源和活化剂,通过调变活化、氮掺杂的顺序制备多孔、富氮的系列超级电容器电极材料,如KOH活化炭微球制备了多孔炭(HC/KOH-1:2),而其经三聚氰胺氮掺杂后制备了含氮孔炭(HC/KOH/N);炭微球采用三聚氰胺掺杂制备氮掺杂炭(HC/N-1:5),又经KOH活化后得到含氮孔材料(HC/N/KOH)。结果表明,三聚氰胺是良好的氮掺杂前驱体,KOH活化有助于材料孔结构的构建,且使氮的存在趋向吡啶氮和吡咯氮的形式。在6 M KOH电解液中,具有丰富孔结构的HC/KOH-1:2表现出优异的电化学性能,在三电极体系0.1A g-1电流密度下,比电容值达279 F g-1;而具有较大比表面积和含氮官能团的HC/N/KOH样品在1 M H2SO4电解液中性能最优,比电容值高达492 F g-1。在两电极体系0.05 A g-1电流密度下,HC/KOH-1:2的能量密度和功率密度分别为8.1 Wh kg-1和24 W kg-1,而HC/N/KOH的能量和功率密度则升高到12 Wh kg-1和24.6 W kg-1。上述优异的电化学性能可归因于前者具有较大的比表面积(1197 m2 g-1),后者适中的比表面积(566m2 g-1)和较高的氮含量(4.38 wt.%)协同作用的结果。2、以含4.106 at%氮、26.99 at%碳和27.00 at%氧的虾壳为碳源,磷酸(H3PO4)为活化剂,原位制备氮/磷/氧共掺杂孔碳(PCs)。结果表明,虾壳是优良的制备活性炭的前驱体,H3PO4有助于构建材料的孔结构,同时实现炭材料的P掺杂。所得材料的孔结构和氮、磷、氧含量随煅烧温度的变化而变化。具有丰富孔结构和杂原子官能团的PCs作为超级电容器电极材料在碱性电解液中表现出优异的电化学性能,在三电极体系0.1A g-1电流密度下,PCs的比电容值最高可达206 F g-1;P掺杂使材料的电压窗口由0.9 V拓宽至1.1 V,其能量密度也相应的由2.9 Wh kg-1增大到5.2 Wh kg-1。3、以虾壳和KOH分别为碳源和活化剂,通过调控二者活化比例和煅烧温度原位制备氮掺杂活性炭。结果表明,所得材料氮、氧元素含量随着煅烧温度的升高而降低,比表面积则随之增大,所得材料比表面积在1163~2003 m2 g-1范围可调。虾壳中CaCO3去除与KOH活化的调变顺序影响所得材料的比表面积,先去除CaCO3再KOH活化,所得材料具有更高的比表面积。所得活性炭表现出优异的电化学性能,在0.05 A g-1电流密度下,其比电容、能量密度和功率密度分别为356 F g-1、8.3 Wh kg-1和24 W kg-1。