生物质及其衍生物基多孔炭的绿色制备、表征及其储电性能

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超级电容器通过电解液离子在电极材料内外表面上的物理吸脱附或法拉第赝电容反应实现能量的存储和输出,因此充放电速度非常快,且具备优异的大电流放电特性,功率密度更是达到电池的5-10倍。目前,提高能量密度和降低成本仍是超级电容器发展的主旋律。活性炭是目前应用最广的电极材料,因此寻找优质碳源和高效活化剂对于制备电化学性能优异的多孔碳材料至关重要。本文以绿色易获得的香菇和可溶性淀粉为碳源,通过不同活化剂活化处理制备了具有高比电容、良好充放电循环稳定性以及高能量密度的多孔碳材料。1.分别以KOH和FeCl3作活化剂,炭化香菇制备碳材料,并初步探究了FeCl3的活化机理。FeCl3绿色环保、售价低,并且其活化得到的碳材料比KOH活化得到的碳材料拥有更高的石墨化程度,更好的可润湿性和更高比例的介孔(66.5%)。因此,它在6mol/L KOH电解液中呈现出更高的质量比电容(247.8 F/g)。此外,因为部分N、O官能团额外的赝电容贡献,它在1 mol/L H2SO4电解液中可以获得307.4 F/g的比电容和5.28Wh/kg的比能量,且经87000次充放电而电容不衰减(104.3%)。FeCl3活化得到的碳材料在1 mol/L TEABF4/PC有机电解液中的稳定工作电压能够达到3.0 V,因此,它具有高的比能量(62.6 Wh/kg),并且,10000次充放电后电容保留率仍有89.3%。此外,其用作钠离子电池负极材料也呈现出很好的稳定性和倍率性能,可逆容量在0.2 A/g电流密度下经1 000次充放电保持有138.6 mAh/g,5.0 A/g的大电流密度下有73.5 mAh/g。2.研究不同活化剂(NaOH、NaHCO3、ZnCl2和KHCO3)处理所得香菇衍生多孔炭的微观结构和电化学性能。其中,KHCO3活化所得多孔炭的可润湿性最好、比表面积大小适中且富含微/介孔和N、O官能团,它在6 mol/L KOH电解液中的质量/体积比电容分别为333.8 F/g和207.0 F/cm3。部分N、O官能团在酸性电解液中存在赝电容行为,因此,它在1 mol/L H2SO4电解液中的质量/体积比电容和比能量分别达到387.2 F/g、240.1 F/cm3和6.94 Wh/kg,并且电容可以经历165000次充放电而不衰减(103.6%)。此外,在1 mol/L TEABF4/PC电解液中,它同样具有高的电化学稳定性(2.5 V电压窗口下经10000次充放电,电容保留92.6%),并且,比能量更高(55.2 Wh/kg)。此外,它的钠电性能也十分优异,0.2 A/g电流密度下经2000次充放电,可逆容量始终维持在141.0 mAh/g,10.0 A/g电流密度下也有67.2 mAh/g。重要的是,KHCO3普适性强,可以用于大部分生物质(如稻壳,桃花,桂花,香芹,香蕉皮和香樟叶)。3.以可溶性淀粉为碳源,通过水热反应和KHCO3活化,制备单分散的碳微球。物性表征显示其具有高的比表面积(1972.8 m2/g)和丰富的微孔(88.8%),在6 mol/L KOH电解液中的质量/体积比电容分别为331.4 F/g和238.6 F/cm3。部分含O官能团的赝电容贡献,使得其在1 mol/L H2SO4电解质中的质量/体积比电容更高,分别为474.6 F/g和341.7 F/cm3,并且经70000次充放电而电容不衰减(100.8%)。1 mol/L TEABF4/PC电解液中可以获得高的比能量(50.4 Wh/kg)。球形碳密度高且堆叠形成的空隙可以缓存电解液离子,因此,其在钠离子电池中可以经2000次充放电而维持170.0 mAh/g的可逆容量(0.1 A/g),5.0 A/g时也有78.0 mAh/g。
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