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开题报告 以生物质为碳源合成高性能碳电极材料与其储能特性应用 指导老师 xxx报告人 xxx 目录 01选题背景 02依据 目的和意义 03本课题的研究内容和方法 04分析与讨论 05参考文献 PartOne 选题背景 1化石能源短缺 2环境恶化 3全球气候变暖 4新能源研究 PartTwo 依据 目的和意义 一 依据 1生物质能 生物质能源是利用自然界中的太阳能 然后以化学能方式来将太阳能贮藏在生物体中的能量 如植物的光合作用 所以说 生物质便是生物质能的储存场所 生物质能储存场所 2生物质炭 AC 生物质碳 就是由植物 农业和畜牧业在生产过程中产生的各种粪便以及其他垃圾等生物质制备而成的一类多孔的碳材料 碳材料具有独特的特性 如良好的耐热性 较高导热性 优良的耐腐烛性 导电性强等长处 3超级电容器 超级电容器从储能机理上面分的话 超级电容器分为双电层电容器和赝电容器 是一种新型储能装置 主要优点 二 目的及意义 碳材料本身具有结构稳定和导电性能良好等优点 将其用作超级电容器电极材料 功率密度高且循环寿命长 成为了科研机构所和生产商研究的热点 然而 我们知道以煤碳 木材和煤炭为前驱体的商用的AC并不是可再生资源 只会越来越少 所以绿色可再生新材料的开发与利用成了这些年来研究的热点 我们以价格低廉的生物质火龙果皮 DF 罗汉果皮 MG 柚子皮 PP 以及梧桐絮 FC 作为前驱体制备AC 不仅能够降低生产成本 还能提高农业废弃物的利用率 超级电容器的充放电时间短 功率密度高和循环寿命长 引起了广泛的关注 AC是理想的电极材料之一 包括各种糖类 农林副产物及食品废弃物在内的生物质材料用作制备AC的前驱体 一方面使资源得到合理的应用 另一方面解决了因传统处理方式而导致的环境问题 PartThree 本课题的研究内容和方法 一 研究内容 本论文制备了4种生物质AC 还制备了双金属氧化物与AC的复合物 氢氧化物与AC的复合物 并探讨了它们的电容性能 下面是主要研究内容 1 分别以DF MG和FC为前驱体 先在Ar气氛中进行碳化 采用KOH活化后再在Ar气氛中进行高温煅烧制备得到ACs 分析这些制备得到的ACs的电化学性能 2 以柚子皮 PP 作为前驱体 先在Ar气氛中进行碳化 采用KOH活化后再在Ar气氛中进行高温煅烧制备了PP AC 探讨了活化剂KOH不同摩尔浓度对所制备的生物质碳材料的影响 研究作为超级电容器电极材料的复合材料的超电容性能 DF MG FC PP 二 实验方法 化学活化法制备DF AC MG AC FC AC PP AC流程 1 材料表征 1 扫描电子显微镜分析 扫描电子显微镜 SEM 通过利用聚焦电子束 扫描样品的表面 激发样品表面的各种物理信号 调制成像 其成像原理与电视摄影显像相似 2 氮气吸附脱附分析 常压下 通过连续流动的氮气吸附来测试比表面积的方法称为氮气吸附脱附实验 3 拉曼光谱分析 拉曼光谱分析 Raman 通过分析与入射光频率不同的散射光谱 得到分子转动和振动的信息 并将其应用在分子结构研究中的分析方法 它是一种散射光谱 拉曼光谱仪 石墨烯拉曼光谱图 4 傅立叶红外光谱分析 红外光谱分析 FTIR 能够通过红外光谱分析物质分子 确定物质结构后鉴别化合物 不同的物质由不同的分子结构组成 不同的分子又拥有不同的红外吸收光谱 FTIR通过测定和分析红外辐射的特征吸收来实现对分子结构的鉴定及分析 通过对分子的结构和化学键进行研究 FTIR可以应用在表征和鉴别被检测物质的成分及种类上 傅立叶红外光谱仪 石墨烯红外光谱图 5 X射线衍射分析 X射线衍射分析 XRD 是一种分析结构的方法 其原理是X射线接触到被测物质表面 被测物质晶体内部的离子或原子会令X射线发生散射 在某些方向上 发生散射的X射线会变得更强 与晶体结构相对应的特征衍射就会显示出来 工业级氧化石墨烯X射线衍射图 X射线衍射仪 6 X射线光电子能谱分析 存在于元器件与显微分析电子材料中的一种分析技术即为X射线光电子能谱技术 XPS 它既能够为化学研究提供原子价态和分子结构方面的信息 还能为电子材料的研究提供各种化合物的化学状态 化学键 元素组成和分子结构方面的信息 分析电子材料时 XPS提供的化学信息较为全面 X射线光电子能分析仪 光电子能谱图 2 电极制备 电极的制备过程在一定程度上影响着材料的电化学性能 电聚合法和涂覆法是最常见的制备电极的方法 本研究采用的电极制备方法是涂覆法 电极制备工艺图 和浆 活性物质 导电炭黑 均匀 超声 涂片 PTFE 压片 3 电化学性能测试 本研究的电化学测试在三电极体系中进行 制备得到的电极作工作电极 Pt电极作对电极 Hg HgO作参比电极 电化学测试包括 循环伏安测试 CV 测试 恒电流充放电测试 GCD 测试 1 循环伏安测试 CV 测试 一定扫速下 电极电位呈三角波形随时间变化 记录下一次或反复多次扫描后获得的电流电位h曲线的方法叫做循环伏安法 CV 2 恒电流充放电测试 GCD 测试 恒电流充放电法 GCD 是用于研究材料储能的重要方法 将电流设置成恒定值 电压范围一定情况下对电极进行充 放电测试 记录下电极电位随时间变化的曲线 理想电容器的GCD曲线呈现一条直线 在实际中 可能会因电阻形成压降 或因氧化还原反应出现充放电平台等原因 曲线可能出现偏差 GCD计算比电容的公式 Cs 式中 Cs为比电容 I为电流 t为时间 m为活性物质质量 V为电位范围 注意事项 1清水清洗 除去表面附着的杂质和污物 而后鼓风干燥箱中 60 下干燥48h 2管式气氛炉中 以40cm3min 1的流速通入N2 在N2保护下升温至500 进行碳化反应1h 三种碳化后的样品标记为X C X表示DF MG FC PP 2 3将X C在3 0molL 1的KOH溶液中浸渍24h 按质量比X C KOH溶液1 3的比例 并于以40cm3min 1的流速通入N2 在N2保护下升温至800 进行活化反应1h 4冷却到室温后用1 0molL 1的HCl溶液清洗样品至中性 再用去离子水过滤清洗样品 最后将样品放入干燥箱中 60 下干燥10h 得到最后的AC产品 标记为X AC 管式炉 PartFour 分析与讨论 PartFive 参考文献 参考文献 1 张瑞芽 生物质衍生的燃料和化学物质 BiomassDerivedFuelsandChemicals J 2004 2 吴创之 马隆龙 生物质能现代利用技术 M 北京 化学工业出版社 2003 1 195 3 马隆龙 吴创之 生物质气化技术及其应用 M 北京 化学工业出版社 2003 140 4 LobatoB Vreten rV KotruszP HulmanM CentenoTA Reducedgraphiteoxideinsupercapacitorelectrodes J JournalofColloidandInterfaceScience 2015 446 203 207 5 LamL T NewhamR H OzgunH etal Advanceddesignofvalue regulatedlead acidbatteryforhybridelectricvehicles J J PowerSources 2000 88 1 92 97 6 SehallerK T Gruber CFuelcelldriveandhighdynamicenergystoragesystems Opportunitiesforthefuturecitybus J FuelBullelin 2000 3 27 9 13 7 JanetNagel Biomassinenergy especiallyinthestateofBrandenburg Germany EcologicalEngineering J 16 2000 103 110 8 PeterMckendry Energyproductionfrombiomass pN2tl overviewofbiomass Bioresourcetechnology J 2002 83 37 46 9 KyriakosManiatis EnzoMillich Energyfrombiomassandwaste thecontributionofutilityscalebiomassgasificationplants Biomassandbioenergy J 1998 15