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摘 要

本文以来源丰富，价格低廉的生物质玉米秸秆芯为原料采用预炭化-碱活化的方法制备活性炭材料，研究了碱炭质量比和活化温度对制备活性炭的影响。同时分析了产物的组成、结构、孔径分布、形貌及电化学性能。实验结果表明活化温度为800 °C，碱炭比为2.5:1时能够获得比表面积大，平均孔径为2.07 nm的活性炭。当碱炭比为2.5:1时所得比电容最高（1 A g^-1时，比电容为308.7 F g^-1），并且具有较高的稳定性和可逆性（10000次后容量保持100%），组装成的对称电容器，具有较高的比电容（比电容在1 A g^-1，可以达到48.6 F g^-1）。在20 A g^-1的时候,有1000 W/kg的功率密度，5.48 W h /kg的能量密度，且具有极好的稳定性（在5000次循环后电容保持率有105%）。

关键词：玉米秸秆芯，活性炭，超级电容器

Abstract: In this paper, corn straw pith, a kind of biomass with abundant raw materials and low price, was used to prepare activated carbon. The method of pre-carbonization and alkali activation was used to prepare activated carbon, and the influence of alkali-carbon mass ratio and temperature on the preparation of activated carbon was studied. Meanwhile, the composition, structure, pore size and its distribution, morphology and electrochemical properties of the activated carbon is analyzed. Results of the experiment show that the activated carbon with specific surface area of 1469 m² g^{- 1}, pore size of 2.07 nm is obtained in 800 °C, alkali carbon ratio of 2.5:1, the highest specific capacitance (in the current density of 1 A g^{- 1}, specific capacitance of 308.7 g F^{- 1}) is gained with alkali carbon ratio of 2.5:1, while stability and reversibility of which is still high (with the current density remaining 100 % after 10000 loops). The symmetrical capacitor assembled from activated carbon has a high specific capacitance (the specific capacitance can reach 48.6 F g^-1 in 1 A g^-1). At 20 A g^-1, the power density is 1000 kW/kg and an energy density is 5.48 W h/kg, and symmetrical capacitor has excellent stability (the capacitance retention remains 105 % after 5000 cycles).

keyword: corn straw pith, activated carbon, super-capacitor

目 录

1 前言 6

1.1 超级电容器概述 6

1.2 碳基超级电容研究背景 6

1.3 本文主要研究内容 6

2 实验内容 7

2.1 仪器和试剂 7

2.2 样品的制备 8

2.3 电极材料的制备 9

2.4 电化学性能测试 9

3 结果与讨论 9

3.1 不同碱炭质量比所得产物的表征与性能 9

3.2 不同活化温度所得产物的表征与性能 14

结 论 20

参 考 文 献 21

致 谢 24

1 前言

随着现代工业经济的快速发展，人们大量开采不可再生资源如石油、煤炭等，不仅造成了资源的短缺，还导致了环境污染。而这些问题促使人们去寻找更加干净、清洁、绿色的新能源。例如风能、太阳能、地热能等，但这些可再生能源受气候、地域以及开发利用技术与资金等多方面限制，且无法持续供能，因此需要一种储能器件。目前超级电容器被广泛应用于电动汽车、脉冲技术、便携式电子及数字设备等^[1-3]。超级电容器电极材料中碳材料原料储备丰富，易于获得，有着较好的稳定性以及可逆性，且充放电倍率好。

1.1 超级电容器概述

1.1.1 超级电容器的发展

1957年，通用电气首先发现多孔碳可以储能，1966年，俄亥俄州标准石油公司重新发现了这种效应，他们设计了一种将两个活性炭电极分别做为正极和负极，中间用隔膜隔开的电池装置^[4-10]。迄今为止，大多数双电层电容器仍然使用这种结构。当今社会，超级电容器之所以蓬勃发展，一个方面是由于环境污染，人们对于清洁能源的呼声日益高涨，迫切希望研发新型、环境友好的高性能能源存储装置，另一方面是随着电子设备的普及，对小型化、可移动、容量高的能源存储设备的需求日益增加。高性能、低成本是未来超级电容器发展的趋势^[11-19]。

1.2 碳基超级电容研究背景

碳基超级电容器在近些年备受人们青睐，有着以下几点原因：

（1）活性炭的原料价格低廉，丰富易得。国内外很多学者都研究了制备活性炭的方法，比如使用香烟丝^[20]、废木材^[21]、玉米粒^[22]等。

（2）中国作为世界上的农业大国之一，每年有大量的农业废料。而这些农业废料无法妥善处理，在农村会采用露天焚烧秸秆或者肆意堆积的方法，而这既会造成环境污染又会导致资源浪费。

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