生物质衍生碳材料的制备及电容性能研究

来源 :四川轻化工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:einsun222
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先进且高效的电极材料对于能量储存至关重要。尽管各类合成方法已经用于制备各类电极材料,但是如何更简单且更高效的合成电极材料以进一步提高电化学性能仍然是一个巨大的挑战。本文围绕以生物质为前驱体,通过简单且高效的多效活化策略制备出具有优异电化学性能的碳基材料。首先,确定通用活化剂诱导的活性炭(AC)的结构和电化学特性对于储能材料发展非常重要。采用不同的活化剂(KOH,Na OH,K2CO3,KNO3)来调整豆腐衍生的AC的微观结构。通过冰模板和酸处理扩大孔隙策略,浸渍和碳化过程合成具有丰富孔结构的AC,并详细研究了活化剂对形貌,孔结构及其电化学电容性能的影响。在低和高电流密度下,由不同的活化剂活化的这些样品在电容性能上存在显着差异。不同的活化剂制备的AC的速率性能:C-Na OH>C-KOH>C-KNO3>>C-K2CO3。其中,C-Na OH表现出优异的倍率性能(0.5 A g-1至20 A g-1,电容保持65.5%)其次,我们通过碱活化和g-C3N4调控的策略,以蚕丝为前体,合成了可用于高性能超级电容器的N,O共掺杂的分级多孔碳纤维(NPCF)。通过调节g-C3N4的比例,N含量和孔结构可以很好地被调控。NPCF1表现出以活性吡啶氮(N-6)和吡咯氮(N-5)为主的高N掺杂(6.05%);同时具有更丰富的孔隙结构和更高的比表面积(2643.75 m~2 g-1)。另外,NPCF1在6 M KOH中可提供392 F g-1的高比电容和出色的倍率性能。更令人印象深刻的是,在中性Na2SO4电解质中NPCF1//NPCF1仍可实现1.8 V的高工作电压,以及高达20.77 Wh kg-1的出色能量密度。这种通用的小分子氮源调控的策略可能会激发合成高级碳材料以用于能源相关应用的新进展。最后,我们提出了一种巧妙的多功能活化策略,通过热解自聚合多巴胺纳米球和g-C3N4来合成超薄石墨状碳层交织的N掺杂多孔碳微球簇(NCSC)。所制备的NCSC表现出更具亲水性的三维多孔结构,相互连接的高孔隙率,活性N-6和N-5主导的高氮掺杂(5.70 at.%)。另外,NCSC显示出相较于碳微球簇(CSC)显著的电容增加(235.4 F g-1>>124.7 F g-1);以及出色的循环耐久性(10000次循环,97%的电容保持)。更令人印象深刻的是,在中性Na2SO4电解质中NCSC//NCSC可以实现1.8 V的宽电压范围,在450 W kg-1时能量密度可达14.64 Wh kg-1。这种集成的多功能激活策略可以为开发先进材料以显着提高电容性能提供新思路。
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