生物质多孔碳材料及其复合物的制备与电化学性能的研究

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现今社会中,伴随着社会的高度发展,能源与环境问题日趋严峻,但是能源又是推动社会发展的一个必不可少的因素,传统化石能源的过度消耗所带来的危害是巨大的,在其使用过程中排放过多的有害气体及液体,给环境造成了极大的污染。不仅如此,随着各国陆续打造工业化和现代化大国,化石燃料的消耗数量也就更加可观,这无疑是对环境和能源问题的再一次雪上加霜。所以解决这一问题就变得迫在眉睫,科学家们一直致力于研究开发可替代的清洁能源,这不仅仅可以解决因能源缺乏所带来的困境,还可以对环境起到一定的保护作用,一举两得。就目前看来,风能、太阳能、潮汐能等可再生清洁能源已经被广泛应用,但是清洁能源因其本身有一定的局限性,所以限制了它们更长远、更广泛的发展。如果想要对这些新能源进行合理高效的应用,首要问题就是将这些能源储存起来,待到用时再将其有效地释放出来。近几年,出现了几种新型储能装置:二次电池、燃料电池、锂电池以及超级电容器等等,而经过比较和实际应用之后,超级电容器因其一些特有的明显优势受到了国内外的广泛关注,其中包括充放电速度快、循环稳定性好、能量密度高等等。超级电容器(Supercapacitors),又称为电化学电容器(Electrochemical capacitors),这种新型的储能器件相较于普通的传统电容器来说具有更高的能量密度,相较于电池来说又有更好的循环稳定性和功率密度。普通的储能装置能量转化原理是在充电和放电时实现电能与化学能的相互转化,但这中间的两次转化就造成了很大的能量损失,导致了能量的转化率最高只能达到80%,而超级电容器就完美克服了这一弊端,它在充放电的过程中不存在能量形式的转换,能量的最高转换效率可以达到98%,它的高能量密度和高功率密度填补了平板电容器和电池之间的空白。本文研究了一种多孔活性炭(PAC),它来源于可再生丝状真菌在惰性气体中的热解。PAC具有1800 m2g-1的高比表面积,并同时存在微孔、中孔和大孔分层结构。N掺杂的PAC电极显示出298 F g-1的高比电容,并且在10000次循环后具有100%电容保持率,循环稳定性优异。此外,这种材料的倍率性能比石墨烯和活性碳都要好,组装之后的对称式超级电容器器件具有10.32 Wh Kg-1的能量密度。这项工作为制造用于超级电容器的高性能多孔碳材料提供了新的可再生丝状真菌来源。步骤如下:(1)对丝状真菌先碳化,再活化,研究了碳化过程中碳化温度对电容器性能的影响,并探究是否加Ni对最后性能有无影响,明确了活化对材料孔隙度的作用,以及比表面积对电容器性能的影响规律。(2)研究了N掺杂对电容器性能的影响。(3)研究了碳材料与金属氧化物复合后对比电容的影响。
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