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研究生:張文碩
研究生(外文):Chang Wen-Shuo
論文名稱:以活性碳纖維布製備超級電容可極化電極與分析
論文名稱(外文):Analysis and Preparation for the Polarizable Electrode of Supercapacitor made from Activated Carbon Fiber Clothes
指導教授:柯澤豪柯澤豪引用關係
指導教授(外文):Ko Tse-Hao
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:材料科學學系
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
論文頁數:125
中文關鍵詞:超級電容BET比表面積孔徑分佈含氧量
外文關鍵詞:supercapacitorBET specific surface areapore size distributionoxygen content
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本文主要探討以國內自製之PAN系活性碳纖維布其微結構、材料特性及表面性質對其電性表現之影響與相互關係,並評估未來作為超級電容碳電極的可行性。
實驗中材料特性主要以BET比表面積、等溫吸附脫附曲線、孔徑分析來瞭解材料的吸附特性,X射線繞射分析、X射線照相分析、拉曼雷射光譜分析研究其微結構狀態,表面性質則以FTIR、ESCA分析探討表面的可能型態,最後以循環伏安法量測其電性與電容量之表現,並推論其與其他特性的相互關係。
本實驗中所使用之PAN系活性碳纖維布為國內自行生產,具有高比表面積值,皆大於1000m2/g,而其孔徑分佈集中於7∼30 Å之間,屬於微孔集中的孔洞結構與吸附特性,這樣的特性使得在電性表現方面呈現電容量與比表面積值並不具有正比的趨勢,由於微孔的孔徑過小致使電解液離子無法進入微孔或在微孔表面積中形成有效的電雙層結構,致使電容量普遍不高;而在碳材料的含氧量方面,表面的含氧量對於電容量有增加的現象,此與表面含氧官能基所提供的活性位置有關,活性位置提供了偽電容現象的發生而提高了電容量。以水溶液型電解液所製備的活性碳電極超級電容,並不只具有電雙層現象,而是與法拉第偽電容現象並存,形成一複雜的電化學現象。實驗中所出現最高之電容量為30.7911mF/g,相較於已商業化之產品,具有可立即商品化的能力。
For the purpose to understand the relationship between material natural, microstructure, surface property and electrical performance, the electrode of supercapacitor have been fabricated using various activated carbon fiber clothes (ACFC) with different surface area was studied in different concentration electrolyte of KOH and different sweep rate.
In our study, the adsorptive property of ACFC was investigated by surface area (BET) test, pore size distribution and the microstructure was analyzed by X-ray diffraction, X-ray Photon, Raman laser scattering and the surface property was studied by FTIR, ESCA. Finally, we using cyclic voltammetry to discuss the electrical performance of the electrode.
The ACFC we used in this experiment all have large surface area (>1000 m2/g) and pore size mainly distribute between 7~30 Å, the pore size is too small that make the ions of electrolyte can not get in or can not form the structure of electrical double-layer effectively, cause this pore size distribution the capacity is not direct proportion to the specific surface area and have low value. Otherwise, the capacity will increase with the content of surface oxygen, the surface functionality with oxygen supply the activated site to make the pseudo-capacity occur and raise the total capacity of electrode. The supercapacitor with aqueous electrolytes have complicated electrochemical phenomenon, not only exist electrical double-layer but also but also pseudo-capacity. The best capacity value of our study is 30.7911mF/g, it have the ability to commercial.
目錄
中文摘要。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。Ⅰ
英文摘要。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。Ⅱ
目錄。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。Ⅲ
第一章 前言。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。1
1.1 電容的分類。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。2
1.2 超級電容的種類、特徵與應用。。。。。。。。。。。。3
1.3 活性碳纖維的的分類與特性。。。。。。。。。。。。。6
1.4 活性碳纖維的特徵與用途。。。。。。。。。。。。。。8
1.5 碳材料在超級電容方面的應用。。。。。。。。。。。。9
1.6 電雙層超級電容發展史。。。。。。。。。。。。。。。9
1.7 市場狀況與未來趨勢。。。。。。。。。。。。。。。。10
1.8 研究動機及主題。。。。。。。。。。。。。。。。。。11
第二章文獻回顧與理論依據。。。。。。。。。。。。。。12
活性碳纖維構造與應用原理
2.1 活性碳纖維
2.1.1 活性碳纖維之製造方法。。。。。。。。。。。。12
2.1.2 PAN碳纖維的微細構造。。。。。。。。。。。。13
2.2 吸附理論。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。17
2.2.1 吸附平衡。。。。。。。。。。。。。。。。。。。17
2.2.2 Langmuir等溫吸附。。。。。。。。。。。。。。18
2.2.3 BET等溫吸附。。。。。。。。。。。。。。。。。19
2.2.4 isotherm等溫曲線。。。。。。。。。。。。。。22
2.3 孔洞分析理論。。。。。。。。。。。。。。。。。。。25
2.3.1 孔洞體積及孔洞測試理論。。。。。。。。。。。26
2.3.2 孔洞大小分佈測試BJH法。。。。。。。。。。。26
2.3.3 t - plot 分析原理。。。。。。。。。。。。。30
2.3.4 D-A method micropore分析原理。。。。。。。31
2.3.5 Horvath-Kawazoe method micropore分析原理33
2.3.6 MP-method micropore 分析原理。。。。。。。35
電容器構造原理與應用
2.4 電容器與界面雙層
2.4.1 電容器原理。。。。。。。。。。。。。。。。。。36
2.4.2 界面電雙層之結構與原理。。。。。。。。。。。38
2.5 電雙層超級電容的工作原理與構造。。。。。。。。。41
2.5.1 電雙層電容之工作原理。。。。。。。。。。。。41
2.5.2 電雙層電容之構造。。。。。。。。。。。。。。42
2.5.2.1 電極(Electrode)材料。。。。。。。43
2.5.2.2 電解液(Electrolyte)材料。。。。。43
2.5.2.3 隔離膜(Separator)材料。。。。。。44
2.5.2.4 集電板(Collector)材料。。。。。。。45
2.5.2.5 包裝(Container)材料。。。。。。。。45
2.6 超級電容與電池、電容之特徵比較。。。。。。。。。45
第三章 實驗。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。47
3.1 實驗流程。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。47
3.2 實驗材料與編號。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。48
3.3 實驗測試。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。48
3.3.1 材料特性。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。48
3.3.1.1 BET比表面積測試與孔徑分析。。。。。。。。48
3.3.1.2 元素分析。。。。。。。。。。。。。。。。49
3.3.1.3 密度測量。。。。。。。。。。。。。。。。49
3.3.1.4 纖維直徑量測。。。。。。。。。。。。。。49
3.3.1.5 乾燥減量。。。。。。。。。。。。。。。。50
3.3.2 微結構分析。。。。。。。。。。。。。。。。。。。50
3.3.2.1 X射線繞射儀試驗。。。。。。。。。。。。。50
3.3.2.2 拉曼雷射光譜分析。。。。。。。。。。。。51
3.3.2.3 X射線照相分析。。。。。。。。。。。。。。51
3.3.3 表面分析。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。52
3.3.3.1 霍氏轉換紅外線光譜分析(FT-IR)。。。。。52
3.3.3.2 化學分析電子光譜儀(ESCA)。。。。。。。。52
3.3.3.3 PH量測。。。。。。。。。。。。。。。。。52
3.3.3.4 滴定實驗。。。。。。。。。。。。。。。。53
3.3.4 電性分析。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。53
3.3.4.1 循環伏安法(Cyclic Voltammetry,CV)。。。53
第四章 結果與討論。。。。。。。。。。。。。。。。。。。54
4.1 活性碳纖維布試樣之材料特性。。。。。。。。。。。54
4.1.1 比表面積值分析。。。。。。。。。。。。。。。54
4.1.2 孔徑分析。。。。。。。。。。。。。。。。。。。59
4.1.3 密度與直徑量測。。。。。。。。。。。。。。。65
4.1.4 元素分析。。。。。。。。。。。。。。。。。。。67
4.1.5 乾燥減量。。。。。。。。。。。。。。。。。。。70
4.2 活性碳纖維布試樣之微結構分析。。。。。。。。。。71
4.2.1 X-ray繞射分析。。。。。。。。。。。。。。。。71
4.2.2 X射線照相分析。。。。。。。。。。。。。。。。76
4.2.3 拉曼(RAMAN)雷射光譜分析。。。。。。。。。76
4.3 活性碳纖維布試樣之表面分析。。。。。。。。。。82
4.3.1 FTIR分析。。。。。。。。。。。。。。。。。。82
4.3.2 PH值量測。。。。。。。。。。。。。。。。。。88
4.3.3 ESCA表面化學組成分析。。。。。。。。。。。。90
4.3.4 滴定分析。。。。。。。。。。。。。。。。。。。92
4.4 活性碳纖維布試樣之電性分析。。。。。。。。。。94
4.4.1 超級電容器之循環伏安法電化學評估。。。。。94
4.4.1.1 循環伏安法測試之原理與應用。。。。94
4.4.1.2 循環伏安法測試於電雙層電容之應用。97
4.4.1.3 循環伏安法測試於電雙層電容之分析。98
第五章 結論。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。115
參考文獻。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。116
附錄。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。119
致謝。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。120
參考文獻
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