生物炭及铜薄膜电极的电化学性能研究

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超级电容器由于具有比容量相对高,功率密度大,可实现快速充放电,循环寿命长等优势被广大科研工作者进行研究。其中生物炭材料来源广泛,环境友好可再生,可通过活化调控孔结构,提高其超级电容器比容量等电化学性能,是目前研究的热点方向。本文以棉花和柚子皮为炭源,以KOH为制孔剂,制备多孔生物炭材料,并组装超级电容器,研究其电容性能。由于活化剂用量和烧结温度两个因素对炭材料结构有较大影响,本文考察了不同碱炭比和烧结温度对生物炭材料电化学性能的影响。结果表明,以脱脂棉为炭源,当碱炭比为2:1,烧结温度为900℃时制备出的活性炭材料电化学性能最好,在1 A/g电流密度下比容量可达到318F/g;以柚子皮为炭源,当碱炭比为2:1,烧结温度为800℃时制备出的活性炭材料电化学性能最好,在1 A/g电流密度下比容量可达到290 F/g。用XRD,SEM,FTIR和BET测试对制备的材料进行了表征,活性炭材料是具有一定的石墨化程度的无定形炭,呈多孔结构,不含有其它的官能团。石墨化可以提高炭的导电性,一定程度上改善炭材料的电化学性能。本文还研究了纳米尺寸的铜薄膜电极的电荷转移电阻规律。在硅片上磁控溅射制备15 nm到100 nm不同厚度的铜膜,并对铜薄膜进行了 X-射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),能量色谱(EDS)和辉光放电光谱(GDS)分析。本工作通过对纳米级铜薄膜电极在1 M Na2SO4电解质溶液中的电化学阻抗谱的研究,阐明了不同纳米尺寸对电极电荷传递电阻大小的影响。结果表明纳米铜薄膜电极的电荷转移电阻受到薄膜厚度的较大影响。随着电极薄膜厚度的增加,电荷转移电阻和双电层电容都会减少。电荷转移电阻与薄膜电极厚度的关系,与薄膜金属的电阻及其厚度的关系都遵循相同的规律。目前的工作从纳米尺寸视角对电极材料的电化学行为提供了进一步理解,并对提高储能装置的性能提供了指导。
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