生物质基炭材料的设计、制备及其电化学性能研究.pdf

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1、分类号：密级：公开学号：2015201025单位代码：10759石河子大学硕士学位论文生物质基炭材料的设计、制备及其电化学性能研究学位申请人陈辉指导教师于锋副教授申请学位门类级别工学硕士学科、专业名称材料化工研究方向新型炭材料所在学院化学化工学院中国·新疆·石河子2018年6月Design,PreparationandElectrochemicalPerformanceofBiomassDerivedCarbonADissertationSubmittedtoShiheziUniversityInPartialFulfillme

2、ntoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringByChenHui(MaterialEngineeringChemistry)DissertationSupervisor:A.Prof.YuFengMarch,2018I摘要生物质具有可再生、资源丰富、价格低廉等特点。以生物质为碳源制备生物质基炭材料能够实现资源的有效利用，提高生物质的附加值，减少因直接焚烧生物质废弃物造成的环境污染问题，具有节能、增值、环保等特点。生物质因其独特的微观结构和丰富的微量元素，为制备功能化的炭材

3、料提供了有利条件。针对不同的生物质原料，采取的预处理方法、活化剂用量、活化温度等都会对制备得到的炭材料产生较大的影响。本论文选取新疆地区的四种生物质废弃物资源为原料，通过水热预碳化、碱活化和直接活化的方法来制备生物质基炭材料，并对炭材料的微观结构、石墨化程度、元素含量及其在电化学电容器中的应用进行研究。1、以生物质烟草为原料，通过水热除杂进而热解得到烟草基多孔炭，对其KOH活化得到烟草基活性炭。结果分析表明，KOH活化有效提高了烟草基多孔炭的比表面积、微孔分布，丰富的微孔有利于电化学超级电容器的储能，丰富的含氧官能团为炭材料的储

4、能提供了赝电容。在三电极体系下，以6mol/L的KOH为电解液，在电流密度为0.5Ag-1的条件下活性炭容量达148Fg-1，相比于烟草基多孔炭容量值提高了4倍。2、以生物质棉籽壳为原料，将其与KOH溶液混合搅拌并烘干，对其进行热解，通过调变热解温度，得到氮掺杂蜂巢状的炭材料。当热解温度为700oC时制备得到的样品氮含量为2.56at.%，比表面积达1694.1m2g-1，3D结构炭材料为电解液的存储提供了空间，相对较高的氮含量和石墨化程度提高了电极材料自身的湿润型和电荷的转移效率。在三电极体系下，以6mol/L的KOH为电解液

5、，在电流密度为0.5Ag-1的条件下容量达238Fg-1，在20Ag-1电流密度下样品的容量保持为200Fg-1，电容保持率为84.03%。3、以生物质榆钱花为原料，通过水热预碳化、KOH活化的方法，得到氮硫共掺杂的活性炭材料。通过调变活化剂的用量制得高比表面积的活性炭材料，当KOH用量为水热产物二倍时，制备得到的样品氮含量为2.21at.%，硫含量为6.06at.%，比表面积达2048.6m2g-1，丰富氮硫官能团含量及高比表面积为优异的电化学性能提供了有利条件。在三电极体系下，以6mol/L的KOH为电解液，在电流密度为1A

6、g-1的条件下容量达275Fg-1，在20Ag-1电流密度下样品的容量保持为216Fg-1，电容保持率为75.54%。4、以葡萄糖为前驱体，通过与实际印染废水水热的方法，实现对印染废水中氮硫元素的回收利用，并对水热产物进行二次KOH活化，得到比表面积为1734.4m2g-1，氮含量达2.12at.%，硫含量为0.64at.%的高石墨化炭材料。在杂原子掺杂与高比表面积的基础上，高的石墨化程度进一步提高电极材料自身的电导率，易于得到较高的电化学容量。在三电极体系下，以6mol/L的KOH为电解液，在电流密度为1Ag-1的条件下容量达

7、273Fg-1，在20Ag-1电流密度下样品的容量保持为200Fg-1，电容保持率为73.26%。关键字：生物质炭材料；烟草；榆钱花；印染废水；棉籽壳；超级电容器IAbstractBiomasshasthecharacteristicsofrenewable,abundant,andlowcost.Usingbiomassascarbonsourceforthepreparationofbiomass-basedcarbonmaterialscaneffectivelyuseresources,increasetheaddedv

8、alueofbiomass,andreducetheenvironmentalpollutioncausedbydirectburningofbiomasswaste.Ithasthecharacteristicsofenergysaving,value-add