基于綜纖維素制備炭基復(fù)合材料及其電化學(xué)性能研究

基于綜纖維素制備炭基復(fù)合材料及其電化學(xué)性能研究在化石能源日益短缺及環(huán)境問題日益嚴峻的社會環(huán)境下,以生物質(zhì)資源為原料制備高性能生物質(zhì)基炭材料具有重要的現(xiàn)實意義。林業(yè)剩余物作為生物質(zhì)資源的重要組成部分,其發(fā)展利用一直廣受關(guān)注。為此,將林業(yè)剩余物轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)基炭材料并將其開發(fā)成為具有巨大應(yīng)用潛力的超級電容器電極材料無疑成為實現(xiàn)林業(yè)剩余物的高效利用、增加其附加值的有效途徑之一。此類研究促進了不同學(xué)科之間的交叉融合,擴大了林業(yè)資源的應(yīng)用領(lǐng)域,同時也對保障生態(tài)安全和能源安全,減少環(huán)境污染,推進節(jié)能減排及構(gòu)建資源節(jié)約型社會具有重要意義。本研究以來源于林業(yè)剩余物的綜纖維素為前驅(qū)體,采用水熱碳化法合成分散性良好、粒徑較為均一的水熱炭(炭球)；通過對炭球進行不同的熱處理及復(fù)合處理,合成了表面富含C=O的炭材料、具有石墨結(jié)晶結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)的炭材料及具有核-殼結(jié)構(gòu)的炭球/鐵氧化物復(fù)合材料,并將它們用作超級電容器電極材料；通過采用各種表征測試手段,對所得材料的結(jié)構(gòu)和性能進行一系列的分析和總結(jié)。具體歸納如下：(1)以林業(yè)剩余物雜木纖維和綜纖維素為前驅(qū)體,采用水熱碳化法,合成雜木纖維基水熱炭和綜纖維素基水熱炭,研究了去除木質(zhì)素對水熱炭的結(jié)構(gòu)特性、化學(xué)特性和熱學(xué)特性的影響。試驗結(jié)果表明,去除木質(zhì)素后,綜纖維素的水熱碳化起始溫度為210℃,顯著低于雜木纖維的水熱碳化起始溫度220℃,并且綜纖維素基水熱炭的表面官能團組成較簡單,熱穩(wěn)定性較高。(2)以綜纖維素為前驅(qū)體,采用水熱碳化法合成分散性良好、粒徑均一的水熱炭(炭球),研究了水熱碳化溫度和反應(yīng)時間對水熱炭的晶態(tài)結(jié)構(gòu)、微觀形貌、表面官能團和熱穩(wěn)定性等性能的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明,隨著溫度的升高或時間的延長,綜纖維素的結(jié)晶區(qū)逐漸消失,轉(zhuǎn)化為粒徑均勻、分散性良好的無定形炭球,產(chǎn)物的炭化程度逐漸增加,熱穩(wěn)定性也逐漸升高；當(dāng)t=8h時,綜纖維素水熱碳化起始溫度為210℃,當(dāng)T=220℃時,綜纖維素水熱碳化起始時間為6h；當(dāng)水熱溫度為230℃(t=6h)或反應(yīng)時間為14h(T=230℃)時,產(chǎn)物的表面官能團趨于穩(wěn)定,生成的炭球表面富含羥基、羰基等含氧官能團。(3)以綜纖維素基水熱炭為處理對象,在空氣氣氛中對其進行低溫處理,獲得了表面富含C=O等含氧官能團的炭材料。試驗結(jié)果表明,隨著溫度升高,產(chǎn)物中C=O含量逐漸增多,產(chǎn)物的比電容呈現(xiàn)先上升后下降的現(xiàn)象,其中,在250℃條件下獲得的炭材料電化學(xué)性能最佳,在電流密度為0.2A/g的條件下其比電容為83.15F/g。(4)以綜纖維素基水熱炭為處理對象,在氮氣氣氛中對其進行高溫處理,獲得了具有石墨晶體結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)的炭材料。試驗結(jié)果表明,隨著溫度的升高,產(chǎn)物的石墨結(jié)晶性逐漸增強,材料的有序化程度逐漸提高；產(chǎn)物的比表面積和微孔孔容隨著溫度的升高先增大后下降,其中,H-N-800的比表面積和微孔率最大,分別為429.4m2/g和43.59%。炭材料的比電容隨著溫度的上升呈現(xiàn)先上升后下降的現(xiàn)象,其中,在800℃條件下獲得的炭材料具有最佳的比電容值和倍率性能,循環(huán)穩(wěn)定性較好。在電流密度為0.5A/g的條件下,其比電容為198.12F/g；電流密度從0.5A/g到5A/g時,H-N-800的比電容僅下降了50.3%,表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能。說明H-N-800是一種具有巨大應(yīng)用潛力的超級電容器電極材料。(5)以在空氣氣氛中,處理溫度為250℃條件下獲得的炭球為基體,經(jīng)水熱法一步合成具有核-殼結(jié)構(gòu)的炭球/Fe203復(fù)合材料。試驗結(jié)果表明,復(fù)合材料的比電容均高于純Fe203顆粒的比電容,且隨著炭球含量的增加而逐漸上升。在炭球含量為0.05g條件下獲得C3/Fe2O3復(fù)合材料的電化學(xué)性能最佳。在電流密度為0.4A/g的條件下,C3/Fe2O3復(fù)合材料的比電容為104.38F/g,是純Fe203顆粒的2.64倍,但復(fù)合材料的循環(huán)穩(wěn)定性低于Fe203顆粒的循環(huán)穩(wěn)定性。(6)以在空氣氣氛中,處理溫度為250℃條件下獲得的炭球為基體,利用化學(xué)共沉淀法原位合成Fe304制備具有核-殼結(jié)構(gòu)的炭球/Fe304復(fù)合材料。試驗結(jié)果表明,復(fù)合材料的比電容均高于純Fe304顆粒的比電容,且隨著炭球含量的增加而逐漸上升。在炭球含量為0.26g條件下獲得C3//Fe3O4復(fù)合材料的電化學(xué)性能