基于木材的介孔碳制备及其电化学性能研究

来源 :天津科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chen406507025
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在生物质可再生资源中,木质纤维生物质来源广、成本低,且本身拥有碳骨架,在获得分级结构方面具有天然优势。选用木质生物质材料构建高性能超级电容器的理想碳电极材料有其不可替代的优势。由于比表面积大小和孔径分布情况对碳材料的电化学性能起决定性的作用。因此,调控生物质基多孔碳材料孔道结构,探究并改善其作为超级电容器电极材料的性质和性能,具有重要研究意义。本文以速生杨木边材木片为原料,探究无机熔盐水合物对木质生物质基介孔碳材料电化学性能的影响。首先,自水解预处理具有部分溶出半纤维素组分和保留木质素的作用。通过对速生杨木边材木片进行相应的自水解预处理,将半纤维素部分溶出,木质素骨架被较完整保留。然后使用无机熔盐水合物与杨木边材木片中纤维素组分进行刻蚀活化,得到木质生物质基介孔碳材料。结果表明:自水解预处理有助于疏通杨木边材木片中的孔道结构使其软化疏松,同时一定强度的自水解预处理,对无机熔盐水合物活化浸渍杨木边材木片具有正向促进作用。其次,探究了自水解预处理后杨木片(APW)的不同无机熔盐水合物活化对木质生物质基介孔碳材料电化学性能的影响,并将其作为超级电容器的电极材料进行了测试。结果表明,无机熔盐水合物ZnCl2和ZnCO3活化处理均有利于提高材料的电化学性能,但ZnCl2的作用效果更强;当材料用作超级电容器中无金属电极时,活化剂总质量一定,以ZnCl2和ZnCO3组合制备的介孔碳材料具有极佳的循环稳定性:在2.0A/g电流密度下,其循环5000次的电容保持率高达99.90%。基于上述研究,采用ZnCl2和ZnCO3最佳组合方式,研究不同浸渍温度对所制备的木质生物质基介孔碳材料电化学性能的影响。结果表明,随着浸渍温度的升高,该木质生物质基介孔碳材料的比表面积呈现先增大后减小的趋势;当浸渍温度为55℃时,介孔碳材料比表面积高达1204.0 m~2/g,总孔容为0.536 cm~3/g,介孔占比为31.72%;综合考虑电化学性能和能量损耗等因素,浸渍温度55℃为最佳浸渍温度值。最后,在最佳浸渍温度55℃、保温时间为12 h的条件下,以ZnCl2和ZnCO3组合为活化剂,探究不同浸渍比例对所制备的木质生物质基介孔碳材料电化学性能的影响。结果表明:随着浸渍比例MZnCl2:MZnCO3(质量比)中ZnCl2占比的提高,比电容先增加后减小;浸渍比例为3:1时,制得碳材料的比表面积为1153.6 m~2/g,总孔体积为0.500 cm~3/g,介孔占比为37.63%;在电流密度为0.1 A/g时,其比电容高达211.8F/g;与其他生物质基碳材料相比,该材料具有丰富的分级孔结构,制备工艺简单,原料成本低,具有潜在的实际应用价值。
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