生物质基碳材料的表面修饰及其电化学性能研究

来源 :安徽工业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:yuyan
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生物质用于制备纳米功能碳材料,由于其可持续性和可再生性而备受关注。超级电容器作为一种关键的储能装置,要求活性电极材料具有较高的比表面积,相互连通的多孔结构和优良的电子导电性。然而,由于生物质本身固有的牢固的微观结构,很难对生物合成碳的孔道结构进行优化,从而限制了生物质碳的广泛应用。如何进一步优化生物质碳的孔结构来制备高性能超级电容器用电极材料仍然是一个巨大的挑战。自然界中植物通过叶子有效提高了与空气可接触表面积,从而吸收更多的二氧化碳进行光合作用。受此启发,我们在生物质碳的表面上嫁接带有丰富的短孔和良好的电导率的类叶片单元来增加生物质碳的表面积供离子吸附,从而提高超级电容器的性能。本文,多孔碳纳米片作为类叶状单元被嫁接到生物质碳表面,来修饰生物质碳的表面,制备超级电容器用多孔碳纳米片/生物质碳复合材料(porous carbon nanosheets/biomass-derived carbon,PCNS/BC)。主要内容如下:(1)多孔碳纳米片/稻壳碳复合材料是通过将煤沥青基多孔碳纳米片嫁接到稻壳碳表面来提高稻壳碳的功能。多孔碳纳米片/稻壳碳复合材料的比表面积达到3120 m2 g-1,孔体积为3.00 cm3 g-1。作为超级电容器的电极材料,在6 M KOH电解液中,多孔碳纳米片/稻壳碳复合材料显示了高的比电容,在0.1 A g-1的电流密度下比容达到315 F g-1,良好的速率能力,在20 A g-1的电流密度下比容达到222 F g-1,良好的循环稳定性,10000次循环后比容保持率为95.8%。(2)基于实验1,用煤焦油基多孔碳片代替煤沥青基多孔碳片嫁接到稻壳碳表面,制备多孔碳纳米片/稻壳碳。所制备的复合材料拥有更大的比表面积达到3619 m2 g-1和更大的孔容达到4.17 m3 g-1。作为超级电容器的电极材料,在6M KOH电解液中,复合材料在0.05 A g-1的电流密度下比容达到292 F g-1,在20 A g-1的电流密度下比容达到202 F g-1,显示了高的比容和优秀的速率性能。在BMIMPF6离子液体电解液中,复合材料显示了高的能量密度达到119 Wh kg-1,是碱性电解液的11.5倍。(3)将此策略推广到修饰棉花衍生碳上,制备多孔碳纳米片/棉花衍生碳复合材料。作为超级电容器的电极材料,在6 M KOH电解液中,复合材料在0.05 A g-1的电流密度下比容达到248 F g-1,在20 A g-1的电流密度下比容达到172 F g-1,显示了高的比容和优秀的速率性能。同时,在5 A g-1的电流密度下循环20000次后,电容仍有96.1%以上的保留,显示了良好的循环稳定性。当BMIMPF6离子液体作为电解液时,PCNS/CC在0.05 A g-1的电流密度下,显示了高的能量密度达到68.3 Wh kg-1。同时,在5 A g-1的电流密度下循环3000次后,电容仍有96.7%以上的保留,显示了良好的循环稳定性。
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