基于膨脹反應(yīng)的多孔炭材料的制備及其電化學(xué)性能研究

基于膨脹反應(yīng)的多孔炭材料的制備及其電化學(xué)性能研究近年來(lái),隨著世界人口數(shù)量的不斷增加,人均經(jīng)濟(jì)生活水平得到不斷提高,地球上可利用的能源卻日益減少,環(huán)境也逐漸惡化,這種種現(xiàn)象引起了人們廣泛的擔(dān)憂(yōu),因此尋找一種綠色、可持續(xù)、高效、快速的儲(chǔ)能元件已成為人類(lèi)生存發(fā)展的重中之重。超級(jí)電容器作為一種新型儲(chǔ)能器件,具有能量密度高、綠色環(huán)保、工作溫度范圍廣、使用壽命長(zhǎng)、可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)大電流放電等優(yōu)點(diǎn),因此引起了越來(lái)越多人的關(guān)注。作為超級(jí)電容器的重要組成部分,電極材料在很大程度上決定了超級(jí)電容器的電化學(xué)性能,因此我們必須找到具有高電容的新型良好電極材料。其中,炭材料由于具有比表面積較高、導(dǎo)電性良好、制備工藝簡(jiǎn)單、微觀結(jié)構(gòu)可調(diào)節(jié)、形式多樣、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于高性能電極材料的制備。本論文以經(jīng)典化學(xué)實(shí)驗(yàn)“法老之蛇”為靈感,采用過(guò)期蔗糖粉為炭源,經(jīng)過(guò)濃硫酸脫水膨脹,制備多孔炭材料;并研究向其中加入細(xì)菌纖維素作為混合炭源來(lái)制備復(fù)合多孔炭材料;以及通過(guò)蔗糖粉燃燒膨脹的方法制備多孔炭材料。通過(guò)SEM、TEM、XRD、XPS、BET、Raman和電化學(xué)測(cè)試等相關(guān)技術(shù)對(duì)制備得到的炭材料的微觀結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及電化學(xué)性能進(jìn)行分析研究,主要有以下三方面研究?jī)?nèi)容:（1）以過(guò)期蔗糖粉為炭源,通過(guò)蔗糖粉與濃硫酸反應(yīng)獲得疏松多孔的前驅(qū)體。采用KOH作為活化劑,氬氣作為保護(hù)氣體,高溫條件下進(jìn)行熱解活化,制備得到疏松多孔的炭材料。所制備的多孔炭材料具有豐富的孔狀結(jié)構(gòu)以及較高的比表面積(1698m²g^-1)。經(jīng)電化學(xué)測(cè)試表明,經(jīng)過(guò)800°C高溫?zé)峤饣罨玫降奶坎牧显?M的KOH電解液中,1Ag^-1電流密度下,比電容高達(dá)270Fg^-1,并表現(xiàn)出極佳的循環(huán)穩(wěn)定性。與未經(jīng)過(guò)膨脹反應(yīng)步驟制得的材料相比,經(jīng)過(guò)膨脹反應(yīng)步驟制得的材料具有更大比表面積以及更優(yōu)異的電化學(xué)性能。這進(jìn)一步說(shuō)明利用此方法制備多孔炭材料是成功的。（2）將經(jīng)過(guò)濃硫酸預(yù)處理制得的疏松炭材料（HZTC）與具有三維網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)細(xì)菌纖維素（BC）混合作為炭源,KOH作為活化劑,氬氣為保護(hù)氣體的條件下,經(jīng)高溫?zé)峤饣罨?成功制備出高比表面積的三維網(wǎng)狀多孔炭材料XHZTC-800-n。結(jié)果表明,樣品具有無(wú)定型結(jié)構(gòu),且呈現(xiàn)出互通交錯(cuò)的三維網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu),經(jīng)BET測(cè)試結(jié)果表明,該材料的比表面積最大可達(dá)1910m²g^-1,并且主要為微介孔結(jié)構(gòu),這將有利于電解質(zhì)離子快速遷移以及雙電層電容的形成,對(duì)電化學(xué)性能的提升提供非常有效的幫助。循環(huán)伏安法測(cè)試以及恒電流充放電測(cè)試表明該材料循環(huán)可逆性良好,有著較好的充放電效率,呈現(xiàn)出良好的雙電層電容行為。在6M的KOH電解液環(huán)境中,1Ag^-1的電流密度下,XHZTC-800-2有高達(dá)309Fg^-1的比電容,經(jīng)過(guò)5000次充放電循環(huán)后,其電容保持率高達(dá)96%。（3）以過(guò)期蔗糖粉為炭源,NaHCO₃為化學(xué)發(fā)泡劑,將其混合點(diǎn)燃,利用碳酸氫鈉受熱分解產(chǎn)生大量二氧化碳?xì)怏w的特點(diǎn),可以使蔗糖粉在二氧化碳?xì)怏w的作用下,轉(zhuǎn)變成具有疏松骨架的“蛇狀”多孔炭前驅(qū)體,將氬氣作為保護(hù)氣體,KOH作為活化劑,在高溫條件下熱解活化成功制得多孔炭材料BZTC-T。制備得到的多孔炭材料為無(wú)定型炭,具有較大的比表面積以及合理的孔徑分布,當(dāng)高溫?zé)峤饣罨瘻囟葹?00°C時(shí),比表面積高達(dá)3540m²g^-1。循環(huán)伏安法測(cè)試以及恒電流充放電測(cè)試結(jié)果表明材料循環(huán)可逆性良好,有著較好的充放電效率,呈現(xiàn)出良好的雙電層電容行為,通過(guò)溫度梯度實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn),BZTC-800具有最佳的電化學(xué)性能,在6M的KOH電解液中,1Ag^-1的電流密度下具有高達(dá)289Fg^-1的比電容,在經(jīng)過(guò)5000次充放電循環(huán)后,其電容保持率高達(dá)95.8%,因此表明該