生物质剑麻衍生碳材料的制备及电化学储能研究

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随着化石燃料等不可再生能源的日益枯竭,人们不断地将目光转向了可再生能源的研究与开发。生物质材料作为一个巨大的资源库,利用生物质资源或农业废弃物等可再生资源制备生物质基衍生碳材料应用在能量的储存上,已成了当前一个研究热点。本文以可再生的生物质剑麻纤维为前驱体,采用不同方法制备了活性碳纤维和硬碳材料,分别用作超级电容器和钠离子电池的电极材料。通过SEM,TEM,XRD,Raman,BET等表征方法,对样品的结构和物相进行分析,并通过电化学测试评估了样品的电化学性能。以提取的剑麻纤维作为前驱体,通过碳化和KOH活化后,制备出不同活化温度下的活性碳纤维。研究发现所有活化温度下的样品均能保持原材料的结构与形貌,纤维状的结构有利于电解液的浸润和缩短离子通道。随着活化温度的升高,样品的比表面积和孔径分布也随之改变。在750°C时,活性碳纤维的比表面积和孔径分布达到最佳。SC-750具有高比表面积(SBET:2289 m2 g-1)和优异的孔径分布(2-10 nm),总孔径为1.23 cm3 g-1。该孔径分布是双层电容的理想孔径。它为电解质离子提供了低电阻在材料内部移动的通道,并可以快速形成电化学双层。当电流密度为0.5 A g-1时,SC-750比电容值为415 F g-1;SC-750在10 A g-1的电流密度下经过10,000次长循环后电容保持率为93%。同样以剑麻纤维为前驱体,经过预氧化处理后直接进行高温裂解制备出具有规格形状的生物质硬碳材料。通过改变裂解的温度,来研究温度变化对硬碳材料储钠性能的影响。温度的升高导致样品的表面趋于光滑,相对应的样品的比表面积在减少,然而过高的温度会造成材料结构的破坏,形成更多的缺陷。通过电化学测试发现,温度的升高会导致样品平台区域的出现,相应的充放电过程会出现两部分:斜坡区和平台区,斜坡区对应着钠离子在碳层表面和缺陷部位的吸附,平台区对应着的是钠离子在纳米空穴中的存储。随着温度的升高,样品的电化学性能在逐步提高。温度达到1500°C时,样品的储钠性能达到最佳。TCF1500的首周库伦效率为42.1%,其可逆比容量达到最高184.2 mAh/g。
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