绿豆皮基多孔碳的制备及其超电和电催化性能研究

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日渐枯竭的石油化石能源和不断恶化的自然环境不仅影响了人类的生产生活,更加大对高效清洁能源的需求,人们越来越需要可再生的绿色能源来缓解现在的压力。生物质作为自然界中分布广泛且储量巨大的可再生资源,由于其易于得到,价格低廉,导电性良好等原因被广泛制备成生物质基碳材料应用于超级电容器和电催化降解苯酚中。本论文使用绿豆皮作为原材料制备出绿豆皮基分级孔碳材料,并对其超电性能和电催化降解苯酚性能进行了研究。本文采用了预碳化法结合KOH活化法制备绿豆皮基多孔碳材料,研究了煅烧温度和活化剂比例制备出的绿豆皮基多孔碳材料的超级电容器性能。研究发现绿豆皮基多孔碳材料是一种具有分级多孔结构的块状碳材料。这种结构一方面可以提高材料的吸附能力,另一方面也有助于提高电子快速传输速率。样品PC3-600的比表面积达到2131 m2 g-1,含有丰富的氧杂原子(8.24%)。电流密度在1 A g-1时比电容达到390 F g-1。该碳材料在硫酸钠为电解液的双电极超级电容器体系中的内阻为23.86?,且具有良好的循环稳定性,表现为经5000次充放电处理后仍电容保持率仍维持在较高水平,为85.59%。说明该碳材料用于超级电容器电极材料中的耐用性很强。为了进一步提升绿豆皮基碳材料的电化学性能,采用预碳化法、水热法、KOH活化法结合制备出绿豆皮基多孔碳材料,通过改变煅烧温度和活化剂含量优选出最佳制备条件,同时探究了分级多孔结构的形成过程。发现氧元素在分级多孔结构的形成过程中扮演者极为重要的角色。最具有代表性的材料HPC2-700的比表面积可达到1214 m2 g-1。在三电极系统中,HPC2-700电极具有很高的质量比电容,在1 A g-1的电流密度下,比电容为353 F g-1。两电极系统中HPC2-700也具有优秀的电化学性能,1 A g-1的电流密度下,比电容为260 F g-1。当电流密度增加到10 A g-1时,依然有85.77%的比电容保留率。在1 mol L-1 Na2SO4电解液中,功率密度为872 W kg-1时,HPC2-700对称超级电容器的能量密度为20.4 Wh kg-1。取上述最具有代表性的几个样品作为电催化降解模拟苯酚废水实验装置中阴极的的阴极活性物质,与不锈钢网阳极,0.1 mol L-1 Na2SO4电解液组成体系,探究绿豆皮基碳材料点催化降解苯酚的能力。考察电流密度(15、20、25、30、32 m A cm-2)、溶液初始p H等因素对苯酚降解效果的影响发现,在p H为7的初始苯酚浓度为100 mg L-1的溶液中,以30 m A cm-2的电流密度点解120 min,绿豆皮基多孔碳阴极材料对模拟苯酚废水的去除率最高可达到最高值98.1%。
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