活性炭制備及雙電層電容器性能研究*

陳錦連，伍寶珊，梁翠媚，李佳怡，陳星陽(yáng)，周建敏

（廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，廣東 茂名 525000）

活性炭制備及雙電層電容器性能研究*

陳錦連，伍寶珊，梁翠媚，李佳怡，陳星陽(yáng)，周建敏*

（廣東石油化工學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院，廣東 茂名 525000）

以葡萄糖為原料，采用KOH活化法制備具有高比表面積的活性炭，并用這個(gè)電極材料組裝制成雙電層電容器。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）、交流阻抗、X射線衍射（XRD）、恒流充放電和循環(huán)伏安（CV）等方法研究了該材料的電化學(xué)性能、表面形態(tài)和結(jié)構(gòu)等。結(jié)果表明，所制備的材料電容器的電流為1A，比電容為156F·g-1，它在1mol·L-1KOH的水系電解液中顯示較好的電容性能，具有較高應(yīng)用前景。

葡萄糖；活性炭；雙電層電容器

雙電層電容器以無(wú)環(huán)境污染、大功率、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注和研究[1]。炭纖維、活性炭、碳納米管、炭氣凝膠為雙電層電容器的主要電極材料。活性炭具有便宜的價(jià)格、高儲(chǔ)電容量、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)，這種雙電層電容器材料是非常有前景的[2]。而且葡萄糖含碳量很高，是制備活性炭的優(yōu)選材料，具有很大的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值。

利用KOH活化造孔是一種效率很高的活性炭制備方法[3]。在溫度很高的條件下，保護(hù)碳粉能夠氧化生成許多的CO2，能夠有效的隔絕外界的氧氣進(jìn)入坩堝里面與活性炭發(fā)生反應(yīng)，則達(dá)到了提高活性炭生產(chǎn)的效率[4]。本文用石油焦碳粉保護(hù)方法制備葡萄糖基活性炭，而且對(duì)其雙電層電容器的性能展開深入的研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

葡萄糖、KOH、60%PTEF溶液、高純氮?dú)?、無(wú)水乙醇、鹽酸。

電化學(xué)工作站；粉碎機(jī)；高溫管式爐；抽慮機(jī)；磁力攪拌器；真空干燥箱；紐扣電池液壓器；三電極電解池；超聲波清洗機(jī)和電子天平各1臺(tái)；扣式電池殼；彈簧片隔膜紙；Pt電極；墊片；氫電極。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 材料的制備 我們選擇了典型的KOH活化法，用于從葡萄糖驅(qū)動(dòng)的碳前體中產(chǎn)生活性炭。

（1）活性炭前驅(qū)體的制備 10g葡萄糖用40mL去離子水溶解，后轉(zhuǎn)移到一個(gè)50mL聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高溫高壓合成釜，然后維持在180℃，4h。熱液產(chǎn)品進(jìn)一步放置在陶瓷坩堝（含蓋）在400℃的馬弗爐內(nèi)加熱1h。

（2）活化造孔制備活性炭 一定數(shù)量的前驅(qū)體混合KOH（1∶2，w/w）去離子水形成均勻的漿，然后將碳漿放進(jìn)含蓋子的鎳容器，把裝有碳漿的鎳容器放進(jìn)不銹鋼盒子，蓋上石油焦炭粉（100目）。后在以2℃·min-1為升溫速率的保護(hù)系統(tǒng)中加熱到800℃并在馬弗爐中放置1h。待冷卻后，用2倍的HCL和去離子水清洗，洗凈后在真空中烘干。

1.2.2 電極制備 分別稱取5.0mg的活性炭產(chǎn)品，加入60%的PTFE溶液約0.83g和乙醇800μL，于磁力攪拌器攪拌30min形成均勻分散液。后加熱至大部分乙醇蒸發(fā)，此時(shí)炭產(chǎn)品聚集類似膠團(tuán)團(tuán)狀物。把濕潤(rùn)微熱的炭團(tuán)放置在干凈平板上，用玻璃圓桿將其壓成片狀，厚度與白紙相近（圖1）。后將其裁剪成合適大小的圓（圖2）。于烘干機(jī)70℃烘干24h，得電極片。

圖1 裁剪前炭片F(xiàn)ig.1 Carbon sheet before cutting

圖2 裁剪后炭片F(xiàn)ig.2 Carbon sheet after cutting

1.2.3 紐扣電池制備前準(zhǔn)備 扣式電池殼用乙醇清洗并浸泡15min，用脫脂棉花擦干，于烘干機(jī)烘干24h，待用。

稱取20組重量相近的電極片，每組兩片，待用。

1.2.4 紐扣電池組裝 正極殼開口向上，平放與面板上，滴兩滴電解液在電機(jī)殼中心處，正極片置入正極殼，再次滴加電解液至電極片被完整均勻濕潤(rùn)。后取隔膜覆蓋正極片，滴加滴加電解液至隔膜被完整均勻濕潤(rùn)，夾取另一片電極片與隔膜正中，覆上墊片與彈簧片，稍加電解液使其完全濕潤(rùn)，最后蓋上負(fù)極電機(jī)殼。后用紐扣電池液壓器壓制1min。

1.2.5 性能測(cè)試 利用三電極體系作電化學(xué)的測(cè)試。以Pt片電極為對(duì)電極，碳電極為工作電極，氫電極作為參比電極，電壓范圍一般為0.0～1.1V，電解液為開始配置的1mol·L-1KOH溶液。循環(huán)伏安掃描速率分別為 100、200、300mV·s-1。恒流充放電的電流密度分別為 1、2、3A。

2 結(jié)果與討論

2.1 電極材料結(jié)構(gòu)的分析

圖3的XRD圖譜為該活性炭樣品，屬于典型的活性炭XRD圖譜。

圖3 活性炭的XRD衍射圖Fig.3 XRD pattern of activated carbon

由圖譜可看出，在15°～30°間有一個(gè)寬峰，為碳材料002衍射峰，43°左右有一個(gè)峰101峰，兩峰強(qiáng)度都比較弱，證實(shí)了活性炭的無(wú)定形結(jié)構(gòu)是正確的。圖譜在0°～15°間有個(gè)上滑的曲線，體現(xiàn)活性炭具有多孔結(jié)構(gòu)這一特性。

圖4為活性炭的掃描電鏡圖。

圖4 活性炭的SEM圖片F(xiàn)ig.4 SEM images of activated carbon

由圖4可見(jiàn)，（A）為低倍率的活性炭照片，圖4（B）為高倍率的活性炭照片。由這兩張圖片可以看出，經(jīng)過(guò)高溫的條件下KOH的活化，活性炭呈現(xiàn)出塊狀，其表面也出現(xiàn)了很多孔，令活性炭具有孔洞化和高比表面積，因此這活性炭可能具有比較強(qiáng)的儲(chǔ)電能力。

2.2 電極材料電化學(xué)性能測(cè)試

圖5為活性炭電極的循環(huán)伏安曲線。

圖5 活性炭電極的循環(huán)伏安曲線Fig.5 Cyclic voltammetry curves of activated carbon electrodes

由圖5可以明顯看出，在100～300mV的電壓下，活性炭循環(huán)伏安曲線都具有比較高的;“矩形度”，沒(méi)有特別明顯的還原峰，電容器隨著電壓的增大，矩形的面積也隨著增大，就算到達(dá)300mV的高掃描速率下，雖然會(huì)有一點(diǎn)點(diǎn)變形，但是依然保持比較好的矩形度，所以這個(gè)電極材料具有理想的功率特征。在循環(huán)過(guò)程中，電壓隨著電流的變化可以反應(yīng)出電容器的基本特性（例如可逆性、容量、功率特征等等）。通常來(lái)說(shuō)，活性炭的循環(huán)伏安曲線的“矩形度”越大，電極材料的可逆性就越高，電極材料的電容性能越好[5]。

圖6為活性炭電容器分別不同電流密度（1、2和3A·g-1）下充放電曲線圖。

圖6 活性炭電極在不同電流密度下的充放電曲線Fig.6 Charge and discharge curves of activated carbon electrodes at different current densities

由圖6可以看出，在充放電電壓為0～1.1V條件下，圖中3條曲線都是近似的等腰三角形，具有比較高的對(duì)稱性，說(shuō)明了材料具有良好的可逆性和較高的充放電效率。據(jù)以下比電容量的公式（1），可算得1～3 A電流密度下的電容量分別為156、137、112F·g-1。

式中 CT：電容器中兩極片的串聯(lián)總電容，F(xiàn)；I：測(cè)試電流，A；△t：放電時(shí)間，s；△V：起始電位和終止電位之差，V；Cs是單電極比容量，F(xiàn)·g-1；m1、m2：兩個(gè)極片的活性物質(zhì)質(zhì)量。

3 結(jié)論

本論文以葡萄糖為原料運(yùn)用KOH活化法制備活性炭，而且研究了活性炭的性能和特性。根據(jù)材料表征結(jié)果：用此KOH活化法制備的活性炭電化學(xué)性能可以知道恒流充放電法下測(cè)得該產(chǎn)品電極的比電容在1mol·L-1KOH水系電解液中1A·g-1電流密度下高達(dá) 156F·g-1。

［1］ 王國(guó)慶.雙電層電容器發(fā)展現(xiàn)狀及前景［J］.電子元件與材料,2000,19（1）：38-39.

［2］ 李澤勝,李泊林,劉志森,等.氮摻雜多孔碳微球的制備與超級(jí)電容器性能測(cè)試--一個(gè)研究型物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)［J］.廣東化工,2016,13：27-28.

［3］ 解立平,林偉剛,楊學(xué)民.廢棄物基活性炭吸附性能的影響因素［J］.新型炭材料,2006,21（2）：156-160.

［4］ 魏亮,吳有智,王海燕,等.多孔聚苯胺/乙炔炭黑復(fù)合物的制備及其超級(jí)電容特性［J］.化工新型材料，2012，40（10）：40-41.

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Study on the preparation of activated carbon and the properties of double layer capacitors*

CHEN Jin-lian，WU Bao-shan，LIANG Cui-mei，LI Jia-yi，CHEN Xing-yang，ZHOU Jian-min*
（Chemical Engineering College of Guangdong Petrochemical University，Maoming 525000，China）

Using glucose as raw material,activated carbon with high specific surface area was prepared by KOH activation method and assembled with this electrode material.The electric double layer capacitor is made.The electrochemical properties,surface morphology and structure of the materials were studied by scanning electron microscopy（SEM）,AC impedance,X-ray diffraction（XRD）,constant current charge discharge and cyclic voltammetry（CV）.The results show that the current of the material capacitor is 1A,the specific capacitance is 156F·g-1,it shows better capacitance performance in 1mol·L-1KOH aqueous electrolyte,and has high application prospect.

glucose；activated carbon；electric double layer capacitor

TM242

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20171120

2017-09-05

廣東石油化工學(xué)院2017年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)校級(jí)培育計(jì)劃項(xiàng)目（2017pyC008）

周建敏（1965-），女，河北撫寧人，漢族，碩士，教授，主要研究方向：從事水處理、催化、電化學(xué)及材料方面的研究等。