基于综纤维素制备炭基复合材料及其电化学性能研究

基于综纤维素制备炭基复合材料及其电化学性能研究在化石能源日益短缺及环境问题日益严峻的社会环境下,以生物质资源为原料制备高性能生物质基炭材料具有重要的现实意义。林业剩余物作为生物质资源的重要组成部分,其发展利用一直广受关注。为此,将林业剩余物转化为生物质基炭材料并将其开发成为具有巨大应用潜力的超级电容器电极材料无疑成为实现林业剩余物的高效利用、增加其附加值的有效途径之一。此类研究促进了不同学科之间的交叉融合,扩大了林业资源的应用领域,同时也对保障生态安全和能源安全,减少环境污染,推进节能减排及构建资源节约型社会具有重要意义。本研究以来源于林业剩余物的综纤维素为前驱体,采用水热碳化法合成分散性良好、粒径较为均一的水热炭(炭球)；通过对炭球进行不同的热处理及复合处理,合成了表面富含C=O的炭材料、具有石墨结晶结构和孔结构的炭材料及具有核-壳结构的炭球/铁氧化物复合材料,并将它们用作超级电容器电极材料；通过采用各种表征测试手段,对所得材料的结构和性能进行一系列的分析和总结。具体归纳如下：(1)以林业剩余物杂木纤维和综纤维素为前驱体,采用水热碳化法,合成杂木纤维基水热炭和综纤维素基水热炭,研究了去除木质素对水热炭的结构特性、化学特性和热学特性的影响。试验结果表明,去除木质素后,综纤维素的水热碳化起始温度为210℃,显著低于杂木纤维的水热碳化起始温度220℃,并且综纤维素基水热炭的表面官能团组成较简单,热稳定性较高。(2)以综纤维素为前驱体,采用水热碳化法合成分散性良好、粒径均一的水热炭(炭球),研究了水热碳化温度和反应时间对水热炭的晶态结构、微观形貌、表面官能团和热稳定性等性能的影响规律。试验结果表明,随着温度的升高或时间的延长,综纤维素的结晶区逐渐消失,转化为粒径均匀、分散性良好的无定形炭球,产物的炭化程度逐渐增加,热稳定性也逐渐升高；当t=8h时,综纤维素水热碳化起始温度为210℃,当T=220℃时,综纤维素水热碳化起始时间为6h；当水热温度为230℃(t=6h)或反应时间为14h(T=230℃)时,产物的表面官能团趋于稳定,生成的炭球表面富含羟基、羰基等含氧官能团。(3)以综纤维素基水热炭为处理对象,在空气气氛中对其进行低温处理,获得了表面富含C=O等含氧官能团的炭材料。试验结果表明,随着温度升高,产物中C=O含量逐渐增多,产物的比电容呈现先上升后下降的现象,其中,在250℃条件下获得的炭材料电化学性能最佳,在电流密度为0.2A/g的条件下其比电容为83.15F/g。(4)以综纤维素基水热炭为处理对象,在氮气气氛中对其进行高温处理,获得了具有石墨晶体结构和孔结构的炭材料。试验结果表明,随着温度的升高,产物的石墨结晶性逐渐增强,材料的有序化程度逐渐提高；产物的比表面积和微孔孔容随着温度的升高先增大后下降,其中,H-N-800的比表面积和微孔率最大,分别为429.4m2/g和43.59%。炭材料的比电容随着温度的上升呈现先上升后下降的现象,其中,在800℃条件下获得的炭材料具有最佳的比电容值和倍率性能,循环稳定性较好。在电流密度为0.5A/g的条件下,其比电容为198.12F/g；电流密度从0.5A/g到5A/g时,H-N-800的比电容仅下降了50.3%,表现出优异的倍率性能。说明H-N-800是一种具有巨大应用潜力的超级电容器电极材料。(5)以在空气气氛中,处理温度为250℃条件下获得的炭球为基体,经水热法一步合成具有核-壳结构的炭球/Fe203复合材料。试验结果表明,复合材料的比电容均高于纯Fe203颗粒的比电容,且随着炭球含量的增加而逐渐上升。在炭球含量为0.05g条件下获得C3/Fe2O3复合材料的电化学性能最佳。在电流密度为0.4A/g的条件下,C3/Fe2O3复合材料的比电容为104.38F/g,是纯Fe203颗粒的2.64倍,但复合材料的循环稳定性低于Fe203颗粒的循环稳定性。(6)以在空气气氛中,处理温度为250℃条件下获得的炭球为基体,利用化学共沉淀法原位合成Fe304制备具有核-壳结构的炭球/Fe304复合材料。试验结果表明,复合材料的比电容均高于纯Fe304颗粒的比电容,且随着炭球含量的增加而逐渐上升。在炭球含量为0.26g条件下获得C3//Fe3O4复合材料的电化学性能