生物质基碳材料及其复合材料的制备以及电化学性能的研究

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1、生物质基碳材料及其复合材料的制备以及电化学性能的研究摘要近年来，由于生物质材料可再生、成本低、对环境友好以及本身具备的独特结构等优点，所以，利用生物质材料制备具有独特结构且电化学性能优越的多孔碳材料已经得到国内外许多科研工作者们的关注。本文以生物质材料及其聚苯胺（PANI）复合材料为前驱体，进行高温碳化和活化制备多孔碳材料，并详细考察碳化和活化工艺对碳材料微观形貌及电化学性能的影响；其次以多孔碳材料为载体，制备C/MnO2复合材料，考察超声碳载体对C/MnO2复合材料微观形貌及电化学性能的影响；最后以多孔碳材料为负极，C/MnO2复合材料为正极，组装非对称超级电容器，通过采用

2、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X-射线衍射、X-射线光电子能谱以及N2吸脱附等测试对材料形貌和结构进行表征，通过循环伏安测试、恒流充放电、以及交流阻抗对材料进行电化学性能评估。具体研究内容如下：本文以生物质材料香蒲（CP）为前躯体，制备不同形貌的碳材料，并详细考察碳化、活化方式以及活化剂的用量对碳材料电化学性能的影响。结果表明：采用两步活化法，当活化剂（KOH）与CP碳化样品的质量比为1：1时，制备的多孔碳材料因其保持纤-1维管状结构，具有更优的电化学性能，在扫速为2mV·s时，其比容量可达到250F·g-1；采用一步活化法，当活化剂（KOH）与CP质量比为1：1时，制备的

3、多孔碳材料具2-1有相互交联多孔泡沫结构以及高的比表面积（1951m·g），显示出优良的电化学性能，-1-1在扫速为2mV·s时，其比容量可达到336F·g，经5000次循环后，其容量保持率为95%。其次以生物质材料细菌纤维素（BC）为基体，通过原位聚合法制备BC-PANI复合材料，经过碳化和活化后制备多孔碳材料，并详细考察了活化温度、活化时间以及活化剂的用量对碳材料电化学性能的影响。结果表明：当活化剂（KOH）与BC-PANI碳化样品质量比为1：1时，制备的多孔碳材料具有独特的纤维与N掺杂多孔碳纳米片相互-1-1连接的结构，在扫速为2mV·s时，其比容量可达到296F·g，

4、经循环10000次后，其比容量保持率为99%。另外，采用碳化后BC-PANI为载体，通过水热反应制备C/MnO2复合材料，考察超声处理碳载体对复合材料微观形貌及电化学性能的影响。结果表明：未经超声处理的碳载体制备的C/MnO2复合材料，由于具有3D纳米花瓣棒状结构，提高了MnO2和碳导-1电网络之间的界面接触，使其表现出更高的电化学性能，在扫速为2mV·s时，其比容-1量可达到273F·g。万方数据哈尔滨工程大学硕士学位论文最后，分别以多孔碳材料及其MnO2复合材料为负极和正极，组装非对称超级电容-1-1器，在工作电压2.0V，1mol·LNa2SO4电解液下，其比容量最大为

5、113Fg，最大-1能量密度为63Wh·Kg，经5000次循环后，其比容量保持率为92%，表现出优良的电化学性能。关键词：香蒲；细菌纤维素；碳材料；氧化锰复合材料；超级电容器万方数据生物质基碳材料及其复合材料的制备以及电化学性能的研究ABSTRACTInrecentyears,thesynthesisofcarbonaceousmaterialswithuniquestructureandexcellentelectrochemicalpropertiesusingbiomassmaterialshasattractedmuchattentionduetotheirrenew

6、ableinherence,lowcost,environmentalfriendliness,anduniquestructure.Inthisdissertation,weusedbiomassandtheirpolyaniline(PANI)compositematerialsasprecursorstoprepareporouscarbonmaterialsundercarbonizationandactivation.Theeffectsofcarbonizationandactivationonthemicrostructureandelectrochemical

7、propertiesofthematerialswereinvestigatedindetail.Moreover,porouscarbonmaterials/MnO2compositeswerepreparedbyahydrothermalprocess.Theeffectsofpreparationprocessonmicrostructureandtheelectrochemicalpropertiesofthecompositematerialswereinvestigatedindetail.