氮掺杂长柄扁桃壳基活性炭的制备及其在超级电容器中的应用

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当今,化石能源严重消耗和环境严重污染,开发高效清洁的储能器件是人们亟待解决的问题。超级电容器作为一种新型的能源储存装置,具有储存量高,充电时间短,放电时间长,能较短时间内传输大功率等优点。然而,超级电容器的能量密度较低的缺点日益显现,如何提高超级电容器的电容量和能量密度是超级电容研究内容的难点和重点。多孔活性炭由于其较高的比表面积、发达的孔径结构、低廉的价格和较高的产量而广泛用于制备超级电容器电极材料。此外,对多孔活性炭进行杂原子掺杂和提高其比表面积可以提高超级电容器的电容量。长柄扁桃壳(Amygdalus pedunculata Pall seed shells,APS)是长柄扁桃种子(Amygdalus pedunculata Pall seed,AP)的果壳,其主要成分是纤维素、半纤维素和木质素,质地坚硬,产量大,是一种优良的活性炭前驱体。本实验以长柄扁桃壳为原材料,以氢氧化钾(KOH)为活化剂,制备具有不同孔径结构的氮掺杂多孔活性炭,并对其的表面形貌、孔径结构、化学组成等性能进行了分析。以6 M KOH为电解液,对多孔活性炭的超电容性能进行研究。具体研究内容如下:(1)以长柄扁桃壳为基体,通过原位聚合法使聚苯胺(Polyaniline,PANI)在长柄扁桃壳表面生长,制备具有高氮含量的APS/PANI复合物。以KOH为活化剂,通过改变活化温度、活化比,调控多孔活性炭的孔径结构,制备具有较大的比表面积(2883cm2 g-1)的活性炭。在三电极体系中,当电流密度为0.5 A g-1时,其比电容可达329 F g-1。在双电极体系中,电流密度为0.5 A g-1时,其比电容可达265 F g-1,具有36.8 W h kg-1的能量密度和150 W kg-1的功率密度,表明所制备的氮掺杂多孔活性炭在超级电容器电极领域具有较大的潜力。(2)利用原位聚合法制备出多孔氮掺杂长柄扁桃壳/聚丙烯酰胺复合材料。经过高温碳化和KOH活化制备氮掺杂多孔活性炭。多孔材料的比表面积为1662 m2 g-1,在三电极体系中,当电流密度为0.5 A g-1时,其比电容可达314 F g-1,表明所制备的氮掺杂多孔活性炭具有较好的电化学性能。
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