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《基于生物質(zhì)的納米孔碳復(fù)合材料的制備及電容性能研究》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。
1、申請(qǐng)上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文基于生物質(zhì)的納米孔碳復(fù)合材料的制備及電容性能研究專業(yè)：材料學(xué)姓名：周鳳羽指導(dǎo)教師：張荻教授劉慶雷副研究員上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2015年4月ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityforPh.DDegreeSynthesisandElectrochemicalCapacitanceofBiomass-derivedNanoporousCarbonCompositesMajor:MaterialsscienceCandidate:Fen
2、gyuZhouSupervisor:Prof.DiZhangProf.QingleiLiuSchoolofMaterialsScienceandEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityApril,2015上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文摘要摘要近年來(lái)，隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，人口數(shù)量的急劇增加和礦石燃料（煤、石油和天然氣等）的不斷消耗，能源短缺和環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重。因此，清潔高效地利用能源成為解決上述問題的關(guān)鍵。超級(jí)電容器是一種新型的電能存儲(chǔ)器-1件，具有功率密度高（10kWkg）、循環(huán)壽命長(zhǎng)（>10
3、0,000次循環(huán)）及倍率性能優(yōu)越等特性，在工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)和軍事上得到廣泛應(yīng)用。超級(jí)電容器主要有兩種類型，即雙電層超級(jí)電容器和贗電容超級(jí)電容器。前者利用離子電荷的物理吸附存儲(chǔ)電能，其中電極材料主要是碳材料，如活性炭，石墨烯和碳納米管等。它們具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，因此，其倍率性能優(yōu)異；但受限于其比表面積，其比電容較小-1-1（<300Fg），能量密度也較?。?10Whkg）。贗電容超級(jí)電容器主要過渡金屬化合物，利用過渡金屬的價(jià)態(tài)可變化性能（可逆氧化還原反應(yīng)）實(shí)現(xiàn)電荷的存儲(chǔ)與釋放。贗電容電極材料比碳材料具有更高的比電容和能量密度，但是其較差
4、的導(dǎo)電性降低了其倍率性能和功率密度，此外其循環(huán)性能也比碳材料差。因此，基于以上兩類電容器電極材料的性能，研制高性能的碳基復(fù)合材料成為目前研究的熱點(diǎn)。盡管新興的石墨烯和碳納米管等得到很多關(guān)注，但其電容性能與活性炭接近，且其制作成本遠(yuǎn)高于活性炭，故而現(xiàn)階段尚不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。并且，它們本身易發(fā)生堆疊現(xiàn)象，尤其在復(fù)合贗電容材料后，比表面積大幅下降，造成雙電層效應(yīng)隨之亦大幅降低，不利于雙層電容器電荷存儲(chǔ)效應(yīng)與贗電容效應(yīng)的有效發(fā)揮。鑒于此，一方面為了尋求可大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)并具有優(yōu)異電容特性的碳基電極材料，另一方面為實(shí)現(xiàn)在此碳基上
5、與其它贗電容納米功能相復(fù)合以進(jìn)一步提高電容特性的目的，本論文開展了基于生物質(zhì)碳材料的納米復(fù)合電極的制備及電容性能研究。自然界歷經(jīng)億萬(wàn)年，進(jìn)化了數(shù)目繁多的多形態(tài)、多尺度、多維數(shù)的生物質(zhì)材料。這些生物質(zhì)為人類簡(jiǎn)易、廉價(jià)獲取碳材料提供了豐富的資源。經(jīng)過簡(jiǎn)單的碳化與活化工藝制備獲得的生物質(zhì)納米孔碳基，不僅生產(chǎn)成本低，并且由于其本身具有的多孔結(jié)構(gòu)和表面特性，即使在復(fù)合納米功能相之后仍能發(fā)揮部分雙電層效應(yīng)；大的比表面積可為功能相離子的復(fù)合提供更多的沉積位點(diǎn)，促進(jìn)復(fù)合相在碳基上的分散型分布，最終提高復(fù)合材料整體的電容性能。本文充分利用生物質(zhì)納
6、米孔碳作為基底，原位引入納米功能相，制備出基于生物質(zhì)碳的先進(jìn)多孔碳復(fù)合電極材料。重點(diǎn)研究了生物質(zhì)碳表面復(fù)合功能相的制備工藝，圍繞具有層、顆粒、管等典型形貌的納米功能相，研究了雙層電容的碳基與贗電容功能相的耦合效應(yīng)。主要內(nèi)容和結(jié)論如下：第I頁(yè)上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文摘要一、生物質(zhì)納米孔碳表面原位復(fù)合納米金屬顆粒工藝研究不同生物質(zhì)制備的納米孔碳材料存在表面物理、化學(xué)性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)上的較大差異。因此，甄選合適生物質(zhì)碳基和復(fù)合工藝方法是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)碳與納米功能相復(fù)合的重點(diǎn)。本文選取四種生物質(zhì)納米孔碳，分別采用浸漬法、水浴沉積沉淀法和微波沉
7、積沉淀法研究了Co納米顆粒在生物質(zhì)碳表面的沉積狀況，最終確立了具有大孔容、均一化孔徑分布和大量含氧官能團(tuán)的竹質(zhì)納米孔碳作為生物質(zhì)碳基，通過微波沉積沉淀法可實(shí)現(xiàn)Co納米顆粒在碳表面上的均勻沉積。研究發(fā)現(xiàn)，選取Co(NO3)2·6H2O為前驅(qū)離子溶液，溶液濃度3.4mM、與尿素溶液濃度配比1:10、超聲時(shí)間3min、使用2450MHz的700W低溫微波加熱反應(yīng)12min為最優(yōu)微波沉積沉淀實(shí)驗(yàn)參數(shù)，可在納米孔竹碳上實(shí)現(xiàn)分散性很高的納米金屬顆粒功能相的復(fù)合，為下步二元、三元生物質(zhì)多維納米孔碳雜化材料的制備奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。二、納米薄片Co(
8、OH)2/生物質(zhì)納米孔碳納米復(fù)合材料電極制備及性能研究為了提高薄片Co(OH)2的活性物質(zhì)表面利用率，本文通過快速、廉價(jià)有效的微波沉積法將花狀α-Co(OH)2納米片原位生長(zhǎng)于生物質(zhì)納米孔碳基上，應(yīng)用于超級(jí)電容器。碳基的存在促進(jìn)了具有贗電容特性的Co(OH)2納
