酶解木质素多孔炭材料制备及其电化学性能研究

来源 :东北林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wdkkiller
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随着新能源发展,高功率密度储能装置已逐步发展和升级。电极材料作为电化学储能器件中主要的储能部件,对电化学性能有着重要的影响。多孔炭材料是目前研究最多、应用最广泛的储能电极材料,具有比表面积高、化学稳定性良好、工作温度范围宽、原料来源丰富等特点。本论文以玉米秸秆中提取的酶解木质素为原料,通过一步炭化、化学活化等方法制备木质素多孔炭电极材料。采用SEM、XRD、XPS、氮气吸/脱附等测试方法表征不同制备方法对木质素多孔炭材料形貌、孔隙结构、元素组成和电化学性能等影响,将制备的酶解木质素多孔炭材料用作超级电容器电极材料,测试其电化学性能。主要结论如下:(1)以酶解木质素为原材料,采用碱溶酸析方法制备纯化木质素。以纯化后酶解木质素为碳源,无需任何模板剂、活化剂,在1000℃条件下炭化不同时间(1 h、2 h和3 h)得到三种酶解木质素多孔炭材料LC1、LC2、LC3。三种炭材料中,LC2具有多级孔隙结构,比表面积达到1376.74 cm~2/g。在三电极体系6 mol/L KOH溶液中,LC2在1 A/g电流密度下的比电容为180.8 F/g。以LC2为电极材料组装的对称超级电容器,在1 A/g电流密度下,经过5 000次长循环充放电后,循环保持率达到91.4%,最大的能量密度和功率密度分别为6.4 Wh/kg和4364 W/kg。(2)为提高一步炭化制备木质素多孔炭材料电化学性能,以K2CO3和KOH为活化剂,在700℃,2h条件下,制备具有高比表面积和多级孔隙结构的木质素多孔炭材料。对K2CO3和KOH活化后的木质素炭材料孔隙结构、元素组成和电化学性能等进行分析,K2CO3活化制备木质素炭材料比表面积和电化学性能均优于KOH。当K2CO3与木质素质量比为1:1(K2CO3-LC-1)时,炭材料比表面积达1540.08 m~2/g。在三电极体系6mol/L KOH溶液中,1 A/g电流密度下,K2CO3-LC-1比电容为189.8 F/g。以K2CO3-LC-1为电极材料组装的对称超级电容器,在1 A/g电流密度下,经过5 000次长循环充放电后,循环保持率为92%,最大能量密度和功率密度分别为33.3 Wh/kg和8403.4 W/kg。(3)为调控木质素多孔炭材料孔隙结构,采用H2SO4水热辅助预炭化-K2CO3活化方法,在700℃,2h条件下,制备具有多级孔隙结构的高比表面积木质素多孔炭材料。当K2CO3与预处理炭质量比为2:1(ALC-K2CO3-2)时,木质素多孔炭材料表面微孔、介孔与大孔共存,其比表面积达到1108.0 m~2/g。在三电极体系6 mol/L KOH溶液中,1 A/g电流密度下,ALC-K2CO3-2比电容为202.0 F/g。以ALC-K2CO3-2为电极材料组装的对称超级电容器,在1 A/g电流密度下,经过5 000次长循环充放电后,循环保持率为82.7%,最大的能量密度和功率密度分别为11.5 Wh/kg和9065.2 W/kg。
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