【摘 要】
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随着化石能源的枯竭以及环境污染加剧,人们迫切需要开发一种绿色环保的高性能储能设备。超级电容器是一种新型的储能设备,具有充放电速度快、循环使用寿命长、功率密度大等显著优势。超级电容器的性能表现与其电极材料密切相关。在诸多电极材料中,多孔碳材料能够提供极大的比表面积、可调节的孔隙结构以及良好的导电性和电化学性能,从而成为了一种理想的超级电容器电极材料。花生壳是一种常见的生物废弃物,含碳量较高,可以用作
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随着化石能源的枯竭以及环境污染加剧,人们迫切需要开发一种绿色环保的高性能储能设备。超级电容器是一种新型的储能设备,具有充放电速度快、循环使用寿命长、功率密度大等显著优势。超级电容器的性能表现与其电极材料密切相关。在诸多电极材料中,多孔碳材料能够提供极大的比表面积、可调节的孔隙结构以及良好的导电性和电化学性能,从而成为了一种理想的超级电容器电极材料。花生壳是一种常见的生物废弃物,含碳量较高,可以用作超级电容器用多孔碳材料的前驱体。然而,木质纤维素生物质表现出一种紧凑的结构,抑制了活化剂的渗透,使得对生物质前驱体进行预处理是必要的。蒸汽爆破是一种很有前途的生物质预处理方法,这是由于蒸汽爆破预处理可以分解生物质细胞壁,诱导纤维分散,使内壁结构疏松,产生多孔的生物质材料,增加了生物质材料的比表面积,有利于促进生物质与后续工艺中使用的化学物质之间的接触并为后续反应过程提供便利。此外,为了提高超级电容器的电化学性能,在碳材料中引入磷、硫、氮等杂原子,这些杂原子提高了电极材料的导电性和湿润性,同时也提供了更多的活性位点。本课题使用蒸汽爆破花生壳作为碳源,通过一步碳化法引入杂原子,制备出了具有高比表面积、杂原子含量丰富的超级电容器用多孔碳材料。本课题的主要工作如下:（1）以蒸汽爆破花生壳为碳前驱体,以磷酸钾为活化剂兼磷源,通过一步碳化法,制备磷单掺杂多孔碳材料。探究了磷酸钾用量对多孔碳材料的结构、形貌以及电化学性能等方面的影响。实验结果表明,当汽爆花生壳、磷酸钾用量比例为1:7时,所制备出的多孔碳材料具有最佳的电化学性能。（2）在上述基础上,以蒸汽爆破花生壳为碳前驱体,以磷酸钾为活化剂兼磷源,硫脲为氮源兼硫源,通过一步碳化法,制备出了具有高比表面积（2046 m~2/g）、孔隙结构良好的磷、硫、氮三掺杂多孔碳材料。探究了硫脲用量对多孔碳材料结构、形貌以及电化学性能等方面的影响。实验结果表明,多孔碳材料PSN-PSC-7-1具有最佳的电化学性能。在0.1 A/g的电流密度下比电容能够达到334.7 F/g。在三电极体系下经过10,000次循环后,PSN-PSC-7-1的电容保持率可达96%。（3）探究了硫脲作为掺杂剂提高多孔碳电化学性能的机理。通过对比多孔碳材料PSN-PSC-7-1和PN-PSC-7-1在微观形貌、比表面积、元素组成以及电化学性能等方面的性能差异,得出结论:硫脲的加入更有助于碳前体材料形成缺陷,有助于孔的形成,能够提供大的比表面积。并且硫脲中的氮原子更容易掺杂进入多孔碳材料中,从而有利于提高材料的电化学性能。（4）使用多孔碳材料PSN-PSC-7-1组装成PSN-PSC-7-1//PSN-PSC-7-1对称电容器,并对其电化学性能进行检测。结果表明,在0.1 A/g的电流密度下PSN-PSC-7-1//PSN-PSC-7-1对称电容器的比电容为73.16 F/g。并且随着功率密度从70提高到11016.51 W/k时,相应的能量密度为19.92-6.43 Wh/kg。在5 A/g的电流密度下对PSN-PSC-7-1//PSN-PSC-7-1对称电容器进行循环稳定性测试,在8000次循环后,样品的比电容保持在97.81%,表现出了良好的循环稳定性。
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