论文部分内容阅读
目前,超级电容器因其自身优势受到了广泛的关注,在很多领域有着成功的应用。例如充当电子产品的后备电源,应用于电动汽车及混合动力汽车、太阳能及风能发电装置、军事航空航天等领域。超级电容器中电极材料是最重要的部分,其直接影响超级电容器性能。而碳材料是研究使用最早、技术最成熟的电极材料之一。石墨烯、碳纳米管、活性碳等是碳材料中的代表,但是由于石墨烯、碳纳米管的制备成本高,材料的比表面积低等缺点限制了其作为电极材料的的发展。生物质（Biomass）因其来源广泛、成本低和可再生的优点成为碳材料的重要来源,而生物炭（Biochar）就是由生物质在缺氧条件下热解制备而成。但是Biochar在实际应用于超级电容器电极材料的过程中存在两方面问题:第一,Biochar孔隙不发达且比电容不高,通常比电容大约为165 F/g[1];第二,在水系电解液中,Biochar表面具有疏水性,这会导致生物质碳材料的有效比表面积非常有限。针对以上两个问题,第一,过渡金属化合物具有超高赝电容,通过掺杂过渡金属来提高材料整体比电容。第二,杂原子掺杂可以显著改善湿润性以及提高碳材料电化学性能。通过采用上述方法制备出来的电极材料在比电容上均有不同程度的提高且电化学性能优异。这将大大提高生物质碳材料在超级电容器电极材料中的应用潜力。环保,安全的处置废弃的生物质,这将能够大大减少其对环境造成影响,从而对于环境保护有着积极影响。本论文中主要研究荷叶生物质,通过高温碳化、水热碳化、KOH活化等方法制备生物碳材料,最终获得高比表面积、高比电容的碳材料。主要内容如下:（1）本论文中选用的过渡金属是锌和铁,采用热解掺杂、KOH活化两步法制备多孔碳材料。KOH活化使得材料产生大量的介孔,具有超高的比表面积。本次实验共制备了活化碳材料（KLC）,锌掺杂碳材料（Zn-KLC）,铁掺杂碳材料（Fe-KLC）,锌铁掺杂碳材料（Zn-Fe-KLC）四种电极材料,其中性能最好的为Zn-KLC电极材料。当使用Zn-KLC作为电极材料时,它在三电极系统中以1 m V/s的扫描速率显示出极好的性能,其比电容为361 F/g。此外,由两个相同的Zn-KLC电极组装而成的对称超级电容,在双电极体系中,经过5000次循环后,其循环寿命较长,比电容保持率为86.5%。（2）在水系电解液中,由于Biochar表面具有疏水性,这会导致Biochar有效比表面积非常有限。杂原子掺杂可以显著改善湿润性以及提高碳材料电化学性能。本次实验探究了硼、硫掺杂对于超级电容器性能影响的研究。实验制备了三种电极材料硼掺杂电极材料（BKLC）,硫掺杂电极材料（SKLC）,硼硫掺杂电极材料（BSKLC）。研究结果显示:BKLC材料在三电极体系中的比电容最高,在1 m V/s扫描速度下,显示出比电容为471 F/g。此外,由两个相同的BKLC电极组装而成的对称超级电容,在双电极体系中,经过5000次循环后,其循环寿命较长,比电容保持率为90.3%。（3）氮元素对于材料的湿润性和导电性有着提升作用,磷能够提高电荷储备以及电子输送能力,提高碳材料表面活性,有利于超级电容器的电化学稳定性。本次实验研究有机氮磷与无机氮磷对于超级电容器电化学性能的影响,实验制备了有机磷掺杂碳材料（O-PKLC）,有机氮掺杂碳材料（O-NKLC）,无机磷掺杂碳材料（I-PKLC）,无机氮掺杂碳材料（I-NKLC）四种电极材料。研究结果显示:O-PKLC材料在三电极体系中的比电容最高,在5 m V/s的扫描速度下,其比电容为400 F/g,在5000次循环之后,循环稳定性为95.4%,意味着材料具有巨大的储能潜力。