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原文传递金属化学沉积强化富硅生物质炭材料的电化学性能研究

论文题名：	金属化学沉积强化富硅生物质炭材料的电化学性能研究
关键词：	动力电池;电动汽车;电极材料;富硅生物质;炭材料;电化学性能
摘要：	随着科技水平的迅速发展，能源过度消耗和资源匮乏等问题也接踵而至，尤其是石油、化石等不可再生资源，不仅如此，这些资源的消耗，在环境方面也带来了巨大的影响。因此，新能源的开发和利用成为了热点问题。新能源汽车产业也随之进入了高速发展的阶段，电极材料作为新能源汽车电池中的关键组件之一，其性能直接影响到电池的能量密度、充电速度、循环寿命等关键指标。所以，高活性、安全、寿命长的电极活性材料对于新能源转换装置来说是至关重要的。生物质炭材料所具有的可控多孔结构和特定的孔径分布能够为电解质溶液中的离子传输与电荷转移提供通道，可以作为电化学电极材料的前驱体。同时，合理利用生物质制备新型炭基材料，不仅可以变废为宝，提高可再生资源的利用率，还可以利用特定的生物质特点提高新型电极材料的性能，扩宽其应用领域。　　富硅生物质本身具有一定硅元素，可以提供额外的活性位点，但是硅的存在会影响生物质炭的孔结构，导致炭材料孔径分布变窄，孔尺寸变小，孔隙度降低。若能合理利用其内部硅的结构和性质，有效调控硅与炭的构效关系，对于制备新型生物质炭电极来说具有重要的研究意义。本课题主要针对这一问题，开展以下工作：　　（1）以天然废弃生物质稻壳为原料，利用其本身特点，在不添加任何负载或添加剂的情况下，通过简单炭化过程制备天然多孔硅-炭材料。由于其本身硅元素的影响，比表面积较低，进一步改变炭化温度及碱活化条件，调控稻壳基炭材料的结构和孔径分布。所得样品含有丰富的孔隙结构，其中Act-RH-900样品显示出被鳞片状缺陷包围的珊瑚礁状结构，且具有最高的比表面积（768cm2g-1）、最大的孔隙体积（0.563cm3g-1）和最佳的微孔比例（Smicro/SBET=83%），在1MKOH电解液中，当电流密度为0.5Ag-1时，表现出较高的比电容（150.8Fg-1）。这一工作初步证明了稻壳可以通过炭化与活化相结合的工艺调控形貌结构及硅和炭的关系，初步实现其在超级电容器方面的应用。　　（2）炭基材料的基底结构是作为电极材料的重要影响因素，稳定且有序的基底结构可以使金属有效负载实现高效催化。这一部分工作主要通过不同炭化温度来调控稻壳的微观形貌。结构表明，随着温度的升高，从1000℃到1300℃，稻壳基炭材料中丰富的孔结构被逐渐破坏，孔壁越来越薄。当温度升高到1400℃和1500℃时，孔结构全部坍塌，最终在1600℃形成形貌规整的虫草状结构，这种规整的结构为后续的负载提供可行性，同时，通过红外表征其化学结构，显示出由Si-C伸缩振动引起的吸收峰，表明其虫草结构主要是碳化硅（SiC）。　　（3）以虫草状结构的碳化硅为基体，通过简单的化学沉积过程，将Fe3O4纳米颗粒和虫草状SiC有机结合，增加了材料中的活性位点，增强了其析氧反应（OER）的催化效果。并且制备的样品在1MKOH中，电流密度为10mAcm-2时表现出低过电位（260mV）、低Tafel斜率（56.93mVdec-1）、高电化学活性面积（54.92mFcm-2）和低Rct值（0.15Ω）。此外，在10mAcm-2的电流密度下，RHC-500样品的过电位在80,000s的i-t曲线测试后几乎没有变化（从260mV增加到261mV），显示出其良好的稳定性。基本实现了稻壳基炭材料在电催化裂解水中的应用。　　（4）将Fe/Co合金纳米颗粒在具有虫草状结构的稻壳基炭材料上进行双金属沉积，弥补了单一金属Fe在析氢反应（HER）上的缺陷，制备出的材料在碱性条件下具有可观的OER和HER催化效果，其在1MKOH中，电流密度为10mAcm-2时表现出低过电位（151、190mV）、低Tafel斜率（63.4、33.3mVdec-1）、高电化学活性面积（35.32mFcm-2）和低Rct值（0.6106Ω）。此外，经过43200s（12h）的i-t测试，在能提供10mAcm-2电流密度的电压下，Fe/Co-RHC-500样品始终能够保持在10mAcm-2附近，显示出其良好的稳定性。进一步拓宽了富硅生物质在电催化领域的应用。
作者：	李长伟
专业：	轻工技术与工程
导师：	赵鑫
授予学位：	硕士
授予学位单位：	齐鲁工业大学
学位年度：	2023