柳絮基多孔活性炭制备与电化学储能研究

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随着社会的快速发展,全球对能源供应和环境保护的需求不断增长。因此,对性能优异并且能够大规模商用的储能设备的需求也变得十分迫切。生物质因有着被大自然选择优化数百万年的独特结构以及丰富的杂元素含量,是一种很有潜力的碳材料前驱体。本论文使用生物质柳絮作为碳材料的前驱体,通过高温碳化的方法获得具有丰富孔结构的多孔碳材料。研究发现,该碳材料在超级电容器和锂离子电池中具有优异的电化学性能,这为生物质碳材料在电化学储能领域中的应用提供了研究借鉴方法。研究并分析了新鲜柳絮的微观结构与元素含量,结果表明新鲜柳絮具有着薄壁微空心管纤维状结构,并包含N、P、S等无机元素。以柳絮作为原材料,通过KOH活化与氨气氛围800℃高温碳化制备了氮掺杂柳絮多孔碳,通过扫描电子显微镜、拉曼光谱、X射线衍射和X射线光电子能谱等表征结果分析了KOH活化时间与碳材料性能之间的关系。确定了KOH最佳活化时间为8 h,该样品的氮含量为11.9wt.%,相比新鲜柳絮的氮含量提高了2倍左右。该样品还具有三维网块状堆叠结构,其产生了大量微孔和介孔。同时比表面积相比于活化之前增大了约354倍。通过对不同活化时间的柳絮多孔碳的电容性能研究,发现活化时间为8 h的样品有着最优的电化学性能,发现活化时间为8 h的样品具有最佳的电化学性能。在1 mol L-1的H2SO4中,在电流密度为1 A g-1时该样品有着317 F g-1的质量比电容,并当电流密度增加到10 A g-1的时候还具有220 F g-1的质量比电容,有着极高的倍率性能。同时,该电极材料还具有极高的循环稳定性,并且在10000次充电和放电循环后还能保持原始比电容的99.5%。之后研究了该柳絮多孔碳在1 mol L-1的Na2SO4电解质与PVA/H2SO4固态电解质中的电化学性能,对比发现该柳絮多孔碳在1 mol L-1的H2SO4中的性能最佳。研究了活化时间为8 h的柳絮多孔碳制备而成的锂离子电池的电化学性能,其在首次循环的放电容量和充电容量分别是401.7 mA h g-1和380.8 mA h g-1,高于石墨电极的理论容量,并且具有较高的库伦效率,首次库伦效率高达94.8%,并且随着循环圈数的增多,库伦效率越来越高,在50圈后开始维持在100%左右。
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