电化学改性石墨和PAN基碳纤维的准电容特性与电催化作用
在全球能源危机和环境污染的背景下，各国政府对开发利用与能源有关的关键科技都非常重视，各个国家大力发展清洁的、可再生的新能源以减少传统能源。要大力发展新能源，储能是关键。随着太阳能和风能等新型能源的应用，研发新型、高效率、长寿命、低成本的储能技术的研究显得尤为重要。 本文主要采用恒电流阶跃活化的方法对石墨和聚丙烯腈（PAN）基碳纤维电极进行改性活化处理，制备出高性能的碳电极材料。通过SEM、XRD、FT-IR、TGA、XPS和拉曼光谱等物理表征方法对改性前后这两种碳材料进行性能评价测试，以及结合循环伏安、恒电流充放电等电化学手段来对其准电容性能以及电催化性能进行研究。本文得出的结论主要有： （1）两种碳材料经过活化改性以后，其表面都发生了不同程度的微晶化，晶型受到破坏，缺陷程度加深，形成乱层；而且活化改性以后，表面都生成了大量的含氧官能团（羰基、醌基和羧基等），但不同的碳材料经过改性后所生成的含氧官能团的种类及数量不同。PAN基碳纤维电极经电化学改性处理后羟基的量明显增加，而石墨电极经电化学改性处理以后羧基和羰基的量增加比较明显。这些含氧官能团的增加使其电容量大幅提高。 （2）改性石墨电极对H2SO4溶液中的Fe3+/Fe2+电对具有明显的电催化活性和较高的准电容特性，其表观面积比电容是不含 Fe3+/Fe2+的空白硫酸溶液的1.808倍,达到2.157 F·cm-2。而且，增大铁离子浓度能够进一步提高其电容量。加入 Fe3+/Fe2+电对使得充放电曲线出现对称的缓充缓放现象，大大增加了其充放电时间，有效地提高了EC的电容存储容量。 （3）通过比较石墨和PAN基碳纤维这两种电极在改性前后对Ti4+/ Ti3+、Fe3+/Fe2+、V5+/V4+这三种典型的氧化还原型离子电偶对的电化学测试，可以得出，石墨电极和PAN基碳纤维电极改性后都具有很好的准电容特性，但其电催化性能却不同。改性石墨电极对这些电偶对具有更好的电催化性能，而改性PAN基碳纤维电极中含有的氮会对电偶对的催化起到毒副作用。XPS数据分析得出，不同的含氧官能团对三种不同氧化还原电位的阳离子电偶对具有电催化选择性，羟基官能团对氧化还原电位较负的阳离子电偶对具有催化活性；羰基官能团对氧化还原电位处于中间的阳离子电偶对的催化活性有利；而羧基官能团对氧化还原电位较正的阳离子电偶对的催化活性更优。
石墨;聚丙烯腈;改性活化处理;碳电极材料;电催化作用;准电容特性
中国海洋大学
硕士
海洋化学
徐海波
2013
中文
TQ150;TM53
75
2013-09-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）