新型模板法绿色制备生物质基多孔炭及其超电性能

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多孔炭(PC)具有孔隙丰富、性能稳定的优点,是一种制备超级电容器电极的优异材料。制备PC的方法主要有化学活化法和外加模板法,这些方法存在实验步骤繁琐、污染环境、腐蚀设备等问题。基于此,本论文提出以绿色可回收中性盐以及废弃物本身作模板,辅以生物前驱体自身分解得到的产物为活化剂制备PC材料,并对所得样品的形貌和结构进行表征,研究其作为超电电极材料的电化学性能。得到结果主要如下:1、以木质素为碳源,外加氯化钠为模板,通过低温回流使木质素包覆在氯化钠外层,高温煅烧获得木质素基多孔炭,并研究其作为电极材料在超级电容器中的应用。结果表明,改变煅烧温度可调控所得样品的孔结构,其比表面积在548600 m2 g-1之间可变,且随着煅烧温度升高,比表面积和孔体积先增大后减少。700℃煅烧所得样品具有最大的比表面积,并表现出最高的电容性能,其在6 mol L-1 KOH电解液中比电容可达252 F g-1,有效面积电容高达31.2μF cm-2。模板氯化钠可清洗分离并可循环利用,提出了一种废弃物高附加值制备超级电容器用多孔炭的绿色方法。2、采用海洋中丰富的废弃物产品虾壳做碳源和含氮氮源,虾壳中含有CaCO3可作为介孔的模板,以CaCO3分解产生的弱碱CaO为微孔活化剂,通过改变虾壳中CaCO3的含量来调控炭材料的孔隙结构。所得样品为含氮且兼具微、介孔结构的多孔炭材料,比表面积范围在117.61114 m2 g-1之间,其氮含量可达3.64.26 wt.%。当虾壳中CaCO3含量达到25%时,900 ℃煅烧3 h,制备的材料的比表面积高达1114 m2 g-1,材料的氮含量控制在3.6 wt.%。在三电极体系中,以6 M KOH为电解液展现出较优异的比电容值和循环稳定性能,在0.05 A g-1电流密度下比电容值为328 F g-1,在1 A g-1循环5000次比电容值仍可达271 F g-1,并保持96%的电容值;在两电极下,能量密度可达为30 Wh kg-1,功率密度为1465W kg-1。多孔炭材料可利用其发达丰富的孔结构形成的双电层电容结合氮原子掺杂后形成的赝电容来提高电极材料的电化学性能。
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