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

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

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

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

Electrocatalytic Performance and Pseudo-CapacitiveCharacteristics of Modified Graphite Electrodeand PAN-based Carbon Fiber Electrode 孙亚萍

徐海波高级工程师

全日制学术学位

海洋化学

海洋资源利用与保护化学

20135 29

谨以此文献给默默关心我的父母、导师以及

所有以海洋为毕生事业并为之奋斗的人们---------- 孙亚萍电化学改性石墨和PAN 基碳纤维的准电容特性与

电催化作用

摘要

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。

3+ 2+

(2) 改性石墨电极对 H SO 溶液中的 Fe /Fe 电对具有明显的电催化活性

2 4

3+ 2+

和较高的准电容特性 , 其表观面积比电容是不含 Fe /Fe 的空白硫酸溶液的

-2

1.808 倍, 达到

2.157 F? cm 。而且, 增大铁离子浓度能够进一步提高其电容量。

3+ 2+

加入 Fe /Fe 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。

4+ 3+

(3)通过比较石墨和 PAN 基碳纤维这两种电极在改性前后对 Ti / Ti 、

3+ 2+ 5+ 4+

Fe /Fe 、V / V 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

I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。

关键词: 电化学电容器;氧化还原液流电池; 电催化;准电容;含氧官能团

IIElectrocatalytic Performance and Pseudo-Capacitive

Characteristics of Modified Graphite Electrodeand PAN-based Carbon Fiber Electrode

Abstract

Faced with the global energy crisis and environmental pollution, all governments pay much attention to the development and utilization of key

technology related with energy. Clean renewable energy is widely developed to

reduce the traditional fuel, and the energy storage becomes an

important factor With

the application of solar , wind and other new sources of energy, the investigation on

the new, high efficiency, long life and low cost of energy storage technology seems

particularly important

In this paper, the graphite and PAN-based carbon fiber electrode were modified

using recurrent galvanic pulses technique and the activated carbon electrodes with