多級孔道結(jié)構(gòu)的稻殼基電容炭材料的制備及其電容性能研究

多級孔道結(jié)構(gòu)的稻殼基電容炭材料的制備及其電容性能研究超級電容器因其具有功率密度大、循環(huán)壽命長、充放電效率高等特點，近年來引起了人們的廣泛關注。電極材料作為超級電容器的重要部分是決定超級電容器性能的關鍵。具有多孔結(jié)構(gòu)的活性炭材料具有成本低廉、比表面積高、來源廣泛等優(yōu)點，目前被廣泛應用于超級電容器電極材料。利用稻殼為前驅(qū)體制備用于超級電容器的活性炭（電容炭）已經(jīng)成為一個研究熱點。但目前稻殼基活性炭（RiceHuskbasedactivatedCarbon,RHC）存在著電容性能不理想、制備成本高且污染環(huán)境等問題，限制了RHC在超級電容器中的應用。本文以實現(xiàn)稻殼基電容炭在超級電容器中的應用為目標，以稻殼為原料，通過化學活化法制備了具有不同孔道結(jié)構(gòu)的稻殼基電容炭材料，研究了制備條件、稻殼的結(jié)構(gòu)、組成與活性炭的孔結(jié)構(gòu)及其電容性能的內(nèi)在聯(lián)系，研究了RHC在酸性和堿性電解質(zhì)溶液中的穩(wěn)定性，探究了RHC在堿性電解質(zhì)溶液中的衰減機理，并提出了提高其循環(huán)壽命的新方法，設計了稻殼基電容炭的綠色制備工藝，主要研究成果如下：（1）利用稻殼的自身模板結(jié)構(gòu)，通過炭化、堿煮、活化制備出了具有高比表面積的稻殼基多級孔道活性炭（RiceHuskbasedHierarchicalActivatedCarbon,RHHAC），并研究了多級孔道結(jié)構(gòu)的形成機理。RHHAC的表層為三維多孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為平行排列大孔通道，在通道壁上同時存在大孔和大量的微介孔。所制得的RHHAC在6molL-1KOH中表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能。電流密度為0.5Ag-1時，其比電容為278Fg-1。當電流密度由0.5Ag-1增大到20Ag-1時，其電容保持率為77.2%，表現(xiàn)出較好的倍率特性。由其構(gòu)成的對稱型超級電容器，當功率密度為6195Wkg-1時，其能量密度仍保持7.4Whkg-1，是非常有前景的高性能超級電容器電極材料。（2）研究了稻殼中SiO2對KOH活化過程中孔結(jié)構(gòu)形成的影響。結(jié)果表明，未去除稻殼中的SiO2時，所制備的活性炭具有較多微孔；去除稻殼中的SiO2時，活性炭具有介孔、大孔較多。這是由于KOH活化過程中SiO2優(yōu)先與KOH反應形成K2SiO3，K2SiO3的形成阻礙了KOH對稻殼的上下表皮的活化，同時造成中部的維管束活化過度導致結(jié)構(gòu)破壞，導致介孔形成和擴大以及大孔的形成受阻。（3）研究了RHC在KOH和H2SO4中的循環(huán)特性。結(jié)果表明，RHC在H2SO4中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，而在KOH中穩(wěn)定性較差。這是由于在超級電容器循環(huán)充放電過程中含氧官能團在兩種電解質(zhì)中發(fā)生不同的反應引起了正極電極電勢的變化差異，從而導致RHC作為超級電容器在兩種電解質(zhì)中的循環(huán)穩(wěn)定性發(fā)生變化。在KOH電解質(zhì)中，羧基和內(nèi)酯基團發(fā)生水解反應產(chǎn)生的靜電排斥和空間位阻效應使得正極電容下降，引起正極電勢的增加和正極氧化，從而導致循環(huán)壽命的衰減。在H2SO4電解質(zhì)中，含氧官能團發(fā)生可逆的氧化還原反應并不引起正極電勢的正移?；赗HC在KOH電解質(zhì)溶液中衰減過程的研究，通過熱處理去除RHC表面含氧官能團，使得其循環(huán)穩(wěn)定性得了大大提升，10000次恒流充放電后的電容保持率由熱處理之前的28.3%提升至94.7%，但熱處理后材料的比電容降低了30%；提高正負極的質(zhì)量比抑制了正極電勢的正移，改善了RHC在KOH中的循環(huán)穩(wěn)定性，當正負極質(zhì)量比由最初的1：1提高到2：1時，10000次恒流充放電后電容保持率由最初的28.3%提升至95.3%，電容降低了12%。通過提高正負極質(zhì)量比的方式來改善RHC在KOH中的循環(huán)穩(wěn)定性，相對于熱處理具有操作簡單、易于實現(xiàn)的特點。（4）基于稻殼基電容炭的制備，提出了兩種綠色制備工藝。在高比電容稻殼基活性炭綠色制備工藝中，將RHC制備過程中產(chǎn)生的廢液經(jīng)酸化和電解之后，獲得了納米SiO2，并可實現(xiàn)活化劑KOH和水的循環(huán)利用。相對于普通