氮摻雜納米碳材料的電化學儲能及碳捕獲性能研究.pdf

1、能源短缺和溫室效應是全球共同面臨的挑戰(zhàn)。超級電容器由于具有功率密度高、循環(huán)壽命長、應用領域廣等優(yōu)點而受到廣泛的研究，被看作是緩解能源危機的有效途徑。電極材料作為超級電容器的核心，其結構組成決定了電容器的性能。納米碳材料以其高比表面積、穩(wěn)定性好、孔結構及組成可調、形狀多樣和廉價易得等特點被廣泛應用于電化學儲能和氣體吸附分離領域。由于來源廣泛，價格低廉等特點，生物質作為碳源制備納米碳材料已經(jīng)成為熱點，尤其是制作碳電極材料和碳基固體吸附劑。因

2、此，本文利用玉米作為碳源制備氮摻雜的納米碳材料，重點研究了其電化學儲能和碳捕獲性能。主要工作包括以下方面：
　?。?）以市售玉米為原料，采用傳統(tǒng)加熱爆炸制備方法和器具制備了爆米花。在較低溫度（400℃）將其預碳化保持骨架結構。預碳化的產(chǎn)物與KOH以不同的鉀碳比（KOH/C=0.5，1，2）進行活化造孔處理，得到了具有高比表面積、高孔隙率的氮摻雜多孔碳，其孔結構具有高微孔特征。當鉀碳比為2時，材料的比表面積達到1489m2 g-1，

3、總孔容高達0.706cm3 g-1。該方法與文獻報道的微波方法相比，具有設備成本低、產(chǎn)量高、方便等特點，容易量化生產(chǎn)。
　　（2）微孔結構使得爆米花多孔碳在能源儲存領域具有明顯優(yōu)勢。將爆米花多孔碳用于超級電容器中，結果表明活化后樣品由于高比表面積和發(fā)達的孔隙結構而具有非常優(yōu)異的超級電容器性能。鉀碳比為1的產(chǎn)物具有最高的比電容，在0.5A g-1電流密度下，比電容高達245F g-1。而且在10A g-1的較大電流密度下，PC-1K

4、電極在循環(huán)充放電使用13000次后，容量保持率高達94％，表明材料優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。進一步探究了比表面和表面氮含量之間的協(xié)同效應，發(fā)現(xiàn)單位比表面積的電容對表面氮含量在不同電流密度下均成線性單調遞增關系，且電流密度降低時擬合直線的斜率增大(0.087±0.004～0.159±0.008)，表明低電流密度下表面氮對材料的本征電容影響更明顯。
　?。?）堿性氮摻雜的特性使得爆米花多孔碳在CO2等酸性氣體吸附領域具有潛在應用前景。將爆米花

5、多孔碳用于CO2吸附，結果表明比表面積最小、表面氮含量最高的活化樣品具有最高的吸附量，為4.60mmol g-1（25℃，1066mbar下）。進一步的研究發(fā)現(xiàn)單位微孔的CO2吸附量y（mmol cm-3）與表面氮含量x（at%）具有良好的線性關系，y=0.90+6.84x（r2=0.85）。材料的結構與組成之間的協(xié)同作用賦予材料優(yōu)異的電化學儲能和二氧化碳吸附性能。這為高比電容電極材料和高容量二氧化碳吸附材料的設計與結構的優(yōu)化提供了新策