【摘 要】
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风能、水能和太阳能的可再生资源受到间歇性、区域性和高成本的影响,反过来限制了它们的广泛应用。因此,开发先进的能量转换和储存技术和设备是非常必要的。超级电容器是一种优秀的储能电容器,具有更高的电容和功率密度,并且比电池放电时间更短。甘草是最著名的药用植物之一,广泛分布于中国西北部和俄罗斯西伯利亚,主要用于提取甘草酸。中国每年生产约700万吨提取后的甘草药渣。大部分甘草药渣没有得到充分有效的利用,而是
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风能、水能和太阳能的可再生资源受到间歇性、区域性和高成本的影响,反过来限制了它们的广泛应用。因此,开发先进的能量转换和储存技术和设备是非常必要的。超级电容器是一种优秀的储能电容器,具有更高的电容和功率密度,并且比电池放电时间更短。甘草是最著名的药用植物之一,广泛分布于中国西北部和俄罗斯西伯利亚,主要用于提取甘草酸。中国每年生产约700万吨提取后的甘草药渣。大部分甘草药渣没有得到充分有效的利用,而是直接作为固体废物丢弃或焚烧,这无疑是对生物质资源的极大浪费,污染环境。利用甘草药渣中的纤维素和半纤维素制备具有特殊结构的生物质基多孔碳材料,是超级电容器电极材料的有力候选材料。本文提出了一种绿色可扩展的策略,以甘草药渣为原料制备生物质衍生的多孔碳,并在此基础上合成了甘草药渣多孔碳与镍钴水滑石的复合材料应用于超级电容器,具体研究内容如下:(1)以甘草药渣为原料,采用预碳化-KOH活化法制备了具有高电化学性能的碳质材料。所制备的分级多孔材料具有极高的比表面积(1665.2 m~2/g)。当用作超级电容器的电极材料时,甘草药渣碳材料在1 A/g的电流密度下提供了222.0 F/g的比电容,并且在10 A/g的电流密度下仍能保持188.0 F/g,电容保持率达到80.8%。(2)针对制得的甘草药渣分级多孔碳电容较低的问题,采用通过简单的电沉积方法,在涂有多孔碳的泡沫镍表面原位生长镍钴水滑石(Ni Co LDH),形成了分层的基底-负载材料的结构。制得的复合材料拥有40.7 m~2/g的比表面积,三电极系统下体现出优越的的超级电容器性能,在1A/g的电流密度下其比电容高达811.5 F/g,并且保持了较低的等效串联电阻(0.60Ω)和电荷转移电阻(0.12Ω)。(3)为了提高上述复合材料的比表面积,进一步提高电容性能,开发了一种以水热法合成甘草药渣多孔碳为核、Ni Co LDH为壳的三维核结构复合材料。该材料具有较高的比表面积(152.1m~2/g),表现出高的比容量(1 A/g时为1807.8 F/g)和高的速率性能(10 A/g时电容保持率为90.4%)。组装的不对称超级电容器具有较高的能量密度(374.9 W/kg时为51.5 Wh/kg)和优良的电化学稳定性(2000次测试后82.6%的保持率)。这些结果表明,甘草药渣衍生的多孔碳有望成为未来实际应用中的一种优良电极材料,这种活化-负载工艺可能为制备形貌保持、高比表面积、储能性能优异的碳质金属复合材料提供了一种潜在的思路,以提高生物质废弃物的资源化利用。
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