高性能沥青基活性炭纤维的制备和电化学性能研究

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超级电容器既具有比传统电容器高的比能量,又具有比电池高的比功率,因此受到广泛关注。超级电容器性能主要取决于电极材料,因此关于电极材料的研究一直是研究热点。本论文系统地研究了中间相沥青基活性炭纤维的制备条件、结构改性及其超级电容器性能。本文着重探究了最佳活化条件和对材料进行高温炭化和金属催化石墨化改性以提高其导电率。研究结果如下:(1)以中间相沥青基炭纤维(CFs)为原料,采用KOH碱活化法在短时间、低温条件下制备具有高比表面积、高微孔率和高收率的活性炭纤维材料(ACFs)。系统考察了活化温度、活化时间和KOH/CFs质量比对沥青基活性炭纤维结构、表面性质及电容性能的影响。结果表明,在KOH/CFs质量比为4/1,活化温度550 oC,活化时间1 h时,材料的电化学性能最好,其在6M KOH溶液中0.1 A g-1电流密度下具有高达426.6 F g-1的放电比电容,具有良好的倍率性能和循环性能,1000次循环后仍有高达393.3 F g-1,容量保持率为91.9%。(2)采用高温热处理提高其结晶度,系统地研究了炭化温度对活性炭纤维形貌,结晶度,表面结构、孔结构和超级电容性能的影响。结果表明:经过1200 oC炭化处理的ACFs电极(ACFs-1200)相比于未炭化的ACFs在导电率、大电流密度下的比容量、循环保持率上都有显著提高。在6M KOH的电解液中ACFs-1200电极具有优异的电化学性能,在0.1 A g-1下比容量高达204.2 F g-1;在20 A g-1时仍具有较高比容量(148.6 F g-1),同电流密度下未炭化的ACFs比容量为125.4 F g-1;阻抗值低(Rct,0.245?;Rs,1.407?),且具有优异的循环稳定性(1000次循环后容量保持率为97.0%)。(3)在系统分析了炭化石墨化活性炭纤维的结构特征的基础上,采用ACFs负载硝酸镍(Ni(NO32)对ACFs进行改性催化石墨化,提高ACFs的石墨化度,结果表明,炭材料经金属催化后在较低的温度下可以达到高温石墨化后的效果。900 oC为最佳催化石墨化温度,电容倍率能有所提高。
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