石油焦基活性炭的制备及其电化学性能的研究

论文摘要

超级电容器是一种新型的电化学能量存储装置，具有高功率密度、高能量密度、循环寿命长和无污染等优点，在众多的研究领域获得了较为广泛的应用。然而随着现代科学技术的飞速发展，对电极材料提出越来越高的要求，特别是材料的高稳定性、长寿命、储能密度大等已成为超级电容器技术发展的重要标志。本论文从石油焦出发，先经过预氧化处理，然后采用真空浸渍法将催化剂浸渍到石油焦上，采用水蒸气活化法制备了超级电容器的电极材料，并比较了他们的结构以及电化学性能。结果表明：1、石油焦原料结构对预氧化及活化性能有显著影响。以细镶嵌型光学结构为主、晶化程度较低、挥发份含量高的石油焦具有较高的反应活性，制备的活性炭更易于形成发达的孔隙。2、石油焦预氧化处理可以形成一定的初级孔道，为之后的催化剂没渍和活化提供了良好的基础。经过预氧化处理制得的活性碳的比表面积达到299.7m~2／g，比未处理样品提高了近4倍；比电容达到80F／g，提高了三倍。石油焦的预氧化程度受到反应温度、时间、粒度等因素的影响，其中温度影响最大。3、在相同的活化条件下，不同催化剂对活性炭的孔结构及其电化学性能有所影响，催化效果从大到小依次为氯氧化锆＞乙酰丙酮锆＞硝酸氧锆＞氯化亚铁4、氯氧化锆对石油焦有明显的催化活化效果，添加催化剂的样品在活化后比表面和比电容均有显著提高，比电容最高可达105.1F／g，比未添加催化剂的样品提高近30％。添加不同比例的催化剂时，石油焦的比表面积和比电容均呈现上升后下降的趋势，在添加比例达到2％时，比表面积和比电容达到最大值。添加催化剂的样品在充放电过程中锆没有发生氧化还原反应，电极表现出良好的电容行为。5、活化条件的改变对活化反应程度有较大影响。活化温度的提高和时间的延长使得活化反应程度加深，烧蚀率提高。同时，相对于活化时间的延长，活化温度提高的影响更加显著。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 超级电容器的分类
• 1.2.1 超级电容器的工作原理
• 1.2.2 双电层电容器
• 1.2.3 法拉利准电容器
• 1.2.4 混合类型超级电容器
• 1.3 电化学电容器电极材料的研究
• 1.3.1 碳电极材料
• 1.3.2 金属氧化物材料
• 1.3.3 导电聚合物材料
• 1.4 活性炭的制备
• 1.4.1 活性炭的制备原料
• 1.4.2.活性炭制备方法
• 1.5 应用及前景
• 1.6 课题意义及创新
• 第二章 实验部分
• 2.1 试验原料
• 2.1.1 化学试剂
• 2.1.2 超级电容器制造材料
• 2.2 活性炭制备及其测试方法
• 2.2.1 活性炭的制备
• 2.2.2 实验装置
• 2.2.3 电极制备
• 2.2.4 电化学电容器组装
• 2.2.5 仪器分析测试方法其条件
• 2.2.6 电化学性能测试
• 第三章 石油焦的结构分析以及与氧化试验
• 3.1 不同产地石油焦预氧化试验
• 3.1.1 原料的光学显微结构与XRD分析
• 3.1.2 原料结构对预氧化和活化性能的影响
• 3.2 锦西石油焦的正交设计试验
• 3.3 本章小结
• 第四章 预氧化法制备石油焦基活性炭
• 4.1 活性炭材料的制备
• 4.2 预氧化对石油焦活化的影响
• 4.2.1 预氧化对活性炭孔结构的影响
• 4.2.2 预氧化对活性炭比电容的影响
• 4.3 不同活化条件对活性炭性能的影响
• 4.3.1 不同活化条件对活性炭孔结构的影响
• 4.3.2 不同活化条件对比表面的影响
• 4.3.3 不同活化条件对比电容的影响
• 4.3.4 样品的循环伏安测试
• 4.3.5 样品的交流阻抗测试
• 4.4 本章小结
• 第五章 锆催化制备石油焦基活性炭
• 5.1 石油焦基活性炭的制备
• 5.2 催化剂用量对石油焦性能的影响
• 5.2.1 催化剂用量对活性炭表面积的影响
• 5.2.2 催化剂用量对石油焦基活性炭孔结构的影响
• 5.2.3 锆催化活化机理
• 5.2.4 催化剂用量对活性炭电化学性能的影响
• 5.3 不同活化条件对活性炭结构及其电化学性能的影响
• 5.3.1 石油焦基活性炭的制备
• 5.3.2 不同活化条件对活性炭比表面积的影响
• 5.3.3 不同活化条件对活性炭孔结构的影响
• 5.3.4 不同活化条件对活性炭比电容的影响
• 5.3.5 循环伏安和交流阻抗分析
• 5.4 酸处理对活化的影响
• 5.4.1 酸处理对活性炭孔结构的影响
• 5.4.2 酸化处理对活性炭电化学性能的影响
• 5.5 小结
• 第六章 不同催化剂对活性炭性能的影响
• 6.1 活性炭材料的制备
• 6.2 不同催化剂对活性炭烧蚀率的影响
• 6.3 不同催化剂对活性炭孔结构的影响
• 6.4 不同催化剂对活性炭比电容的影响
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究生期间发表论文