论文部分内容阅读
随着经济和社会的发展,能源矛盾日益加剧,生态环境问题突出,构建清洁、高效、安全、可持续的能源尤其重要。超级电容器因其较高功率密度、快速充放电速率、超长循环寿命等特点,使其在储能领域具有广阔前景。生物质基炭电极材料因其环境友好、天然资源丰富和特殊的多孔结构而备受关注。本文基于碱/脲溶剂对纤维素的溶解作用,以木质原料和纤维素为碳源,尿素、硫脲为掺杂源,三聚氰胺和磷酸三聚氰胺为辅助物（掺杂剂）,碱为活化剂,制备比表面积发达的掺杂活性炭产品,并引入导电聚合物、金属硫化物等进行复合。研究溶解过程中纤维素的元素组成、化学性质和微晶结构以及掺杂活性炭孔隙结构、杂原子元素含量及结合状态的变化规律,并阐明掺杂有机化合物与纤维素产生的交联机制,旨在揭示木质材料中纤维素的溶解机理、纤维素与掺杂有机化合物的交联反应机理、掺杂的作用机制,可望制得高性能的掺杂活性炭产品,为研发高吸附、高电化学性能和多功能的新型炭材料提供科学基础。具体内容如下:（1）以杉木屑为原料,通过三聚氰胺辅助Na OH/KOH/尿素水溶剂,制备氮掺杂活性炭（NDAC）,研究活化温度和三聚氰胺用量对NDAC性能的影响。结果表明,与未添加三聚氰胺相比,NDAC的比表面积(SBET)和氮含量有很大的提高,分别从1040 m~2g-1和3.52%增加到1382 m~2g-1和5.16%。在活化温度850℃和三聚氰胺10 g的条件下,NDAC电极材料在1 A g-1下具有高达196 F g-1的比电容;在5 A g-1下5000次循环后,其电容保持率可达87.4%;对称超级电容器在261.44 W kg-1的功率密度下表现出9.7 Wh kg-1的能量密度。（2）基于绿色低碳发展,以杉木屑为碳源,以三聚氰胺固废物（OAT）为富氮源,基于碱/尿素溶剂溶解木质原料中的纤维素,通过一步热解制备氮掺杂活性炭,并考察活化温度和OAT剂量对其活性炭的吸附性能和电化学性能的影响。究结果表明,随着OAT质量分数的增加,活性炭的得率和吸附性能先增加后减小;OAT的添加有利于提高氮掺杂活性炭的得率、氮含量、吸附性能和电化学性能。当活化温度900℃,OAT质量分数为15%,氮掺杂活性炭的得率为34.2%,碘吸附值为1116 mg g-1,亚甲基蓝吸附值为165 mg g-1,比表面积为1 324 m~2 g-1,氮含量为3.5%,比电容可达193 F g-1。（3）以杉木屑为原料,基于Na OH/硫脲溶剂溶解纤维素,制备高比表面积N、S共掺杂多孔炭（NSAC）。以NSAC为基底,采用溶液原位聚合法制备N、S共掺杂多孔炭/聚苯胺复合材料（NSAC-PANI）。结果表明,聚苯胺能均匀附着于N、S共掺杂多孔炭表面,呈绒毛状态;多孔炭具有高的比表面积和N、S活性位点,有利于苯胺单体通过静电吸引和π-π堆积作用负载于NSAC;NSAC-PANI-2样品具有高的比电容(304 F g-1);组装的对称超级电容器功率密度为395 W Kg-1时,能量密度高达23.6 Wh kg-1;循环5000圈后,电容保持率仍高达90.2%。（4）将NSAC与镍、钴硝酸盐进行水热处理,制备N、S共掺杂多孔炭-Ni Co2S4复合材料（NSAC-Ni Co2S4）,探究镍钴比对其形貌及其电化学性能影响。结果表明,镍钴比为1时,NSAC-Ni Co2S4-2表现出微/纳颗粒球状且均匀附着在于炭基体表面,并具有高达762F g-1的比电容。将NSAC-Ni Co2S4-2样品作为正极,NSAC作为负极组装成不对称超级电容器,当功率密度为401 W Kg-1时,其能量密度高达36.8 Wh kg-1;循环5000圈后,电容保持率仍高达88.9%。（5）以纤维素为原料,Na OH/硫脲水溶液为纤维素的溶剂、活化剂和N、S源,磷酸三聚氰胺为N、P源,通过一步热解法制备高介孔多元共掺杂活性炭,并用于超级电容器领域。结果表明,合成的多孔炭具有极高的介孔率（98.26%）和N（3.78 at%）、P（0.32 at%）和S（3.36 at%）共掺杂特性;在1 A g-1时,比电容高达314 F g-1;在功率密度为492 W kg-1时,其能量密度为16.4 Wh kg-1;5000次的循环充放电后,电容保持率仍为91%。（6）在溶解过程中,掺杂有机化合物渗入到木质材料中纤维素内部,与纤维素产生交联反应,有利于在活性炭材料表面原位形成稳定的结构,提高活性炭产品的掺杂量。与未添加辅助剂的样品相比,加入三聚氰胺、磷酸三聚氰胺有助于提高产品的比表面积和电化学性能。Na OH/硫脲水溶剂比Na OH/尿素水溶剂更强的溶解能力,导致刻蚀作用更加明显,炭材料的孔隙更发达。