可再生纖維素制備超級(jí)電容器電極研究

王 驁

（北京市第十四中學(xué) 北京 100000）

可再生纖維素制備超級(jí)電容器電極研究

王 驁

（北京市第十四中學(xué) 北京 100000）

本文以廉價(jià)的纖維素生物質(zhì)材料為原料，通過(guò)KOH模板和活化對(duì)其進(jìn)行改性，得到了性能優(yōu)異的蜂窩狀多孔碳材料作為超級(jí)電容器電極材料并探究了碳化活化條件對(duì)其形貌影響及其不同條件下得到材料電化學(xué)性能。

超級(jí)電容器，多孔碳，纖維素，比容量

引言

隨著化石燃料的快速消耗和環(huán)境污染的急劇惡化，高效率的能源利用和開發(fā)高效可再生能源是根本解決能源緊缺問題兩個(gè)最有效的辦法。能源的有效存儲(chǔ)是實(shí)現(xiàn)解決能源危機(jī)的關(guān)鍵性的步驟。

超級(jí)電容器又名電化學(xué)電容器，能量密度是位于鋰電池和典型電容器之間能迅速充放電、基于電極材料與電解液界面的離子吸附儲(chǔ)能元件。在電化學(xué)電容器的研究工作，電極材料是研究的熱點(diǎn)方向。多孔炭由于其廣泛應(yīng)用于電化學(xué)電容器電極材料而越來(lái)越受到研究者的關(guān)注。蜂窩活性炭是最典型的三維炭材料，也是目前商業(yè)化最成功、應(yīng)用最廣泛的電極材料。蜂窩活性炭活性炭擁有非常高的比表面積（最高可達(dá) 3000 m2/g），可控的孔隙率和孔徑分布，有利于與電解液相接觸，從而具有較高的雙電層電容。根據(jù)雙電層電容理論的計(jì)算定律來(lái)講，比表面積越大，電極材料的比容量會(huì)越大，但據(jù)我們了解兩者并不僅僅存在簡(jiǎn)單的正比關(guān)系。

本文采用KOH、尿素與纖維素混合，高溫碳化上述混合物得到蜂窩狀多孔炭，并將此炭料用于制備超級(jí)電容器電極材料。用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（SEM）觀察纖維素活性炭的結(jié)構(gòu)和形貌特征；比表面積用靜態(tài)氮?dú)馕摳絻x器表征。用循環(huán)伏安法和恒流充放電法測(cè)試此炭電極材料的電容性能。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及其設(shè)備

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

?

纖維素經(jīng)鼓風(fēng)烘箱干燥后，用粉碎機(jī)粉碎過(guò)塞子后取180目篩下料碳化的原料。按10g纖維素與8gKOH，2g尿素比例稱取研磨好的纖維素、KOH與尿素在100ml去離子水中混合均勻，在80攝氏度下攪拌至水分揮發(fā)完畢。干燥的混合物在炭化爐中加熱中，在氮?dú)鈿夥障?，?℃每分鐘速度至設(shè)定溫度保溫1后自然冷卻至室溫。取出產(chǎn)物，水洗洗滌過(guò)濾后，真空烘箱放置8h左右烘干。樣品標(biāo)號(hào)為AXWS-700,800,900.非活化樣品是直接800度碳化得到標(biāo)記為XWS-800。

2 結(jié)果與討論

雙電層電容是超級(jí)電容器儲(chǔ)能的機(jī)理。一般來(lái)說(shuō)，多孔炭的比表面與超級(jí)電容器的電容量是呈正相關(guān)關(guān)系的，面積越大容量越大。很多制備因素影響多孔炭材料的比表面積。本研究在原料粒度為180目、炭化活化溫度700、800、900℃、保溫時(shí)間為1h的條件下，觀察了不同的溫度條件下得到的活性炭的形貌.在800度下可以得到較為完美的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，大孔蜂窩結(jié)構(gòu)可以提供大的比表面積與孔體積，又可以為電解液的輸送提供通道，是理想的超級(jí)電容器電極材料。在700度下，由于溫度較低，KOH不能完全活化纖維素導(dǎo)致材料不能形成連續(xù)的蜂窩狀，只是表現(xiàn)出無(wú)規(guī)則的顆粒的形狀。升高溫度至900度，過(guò)高的溫度會(huì)活化過(guò)度，破壞蜂窩狀結(jié)構(gòu)，非常不利于電解質(zhì)離子的傳輸。

下表顯示，當(dāng)溫度增加到900以后，多孔炭材料的比表面積沒有大幅度的增加。綜合以上因素，我們選定原料的活化溫度是800攝氏度。

表1 樣品比表面積、孔體積數(shù)據(jù)

圖1a是各個(gè)樣品電容器電極的循環(huán)充放電曲線。圖中可以看出，循環(huán)曲線沒有明顯的氧化還原鼓包峰，說(shuō)明在充放電過(guò)程中沒有發(fā)生氧化還原化學(xué)反應(yīng)，電解液離子在電極/電解液界面形成了的很好的雙電層電容，電極反應(yīng)主要為雙電層上的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)。圖1 b顯示，放電曲線的電壓降極小，這表明溶液的離子的導(dǎo)電性和電極/電解液的接觸均良好，電阻較小，導(dǎo)電率良好。

圖3.1-1 不同種類樹脂對(duì)廢水的吸附效果圖1 a)20mv/s各個(gè)樣品的循環(huán)伏安曲線 b)1A/g各個(gè)樣品的恒流充放電曲線c）AXWS-800樣品循環(huán)伏安曲線d）不同電流密度下比電容

結(jié)論

本文采用KOH和尿素先后對(duì)纖維素進(jìn)行活化和氮化處理，形成了適宜的三維蜂窩狀結(jié)構(gòu)，表面氮化處理是為了在活性炭表面引入含氮官能團(tuán)，從而使其與電解液離子親水性結(jié)合，以增強(qiáng)炭材料與電解液的界面融合；800度活化樣品由于三維連續(xù)蜂窩狀結(jié)構(gòu)使其表現(xiàn)出最優(yōu)的電容性能和倍率性能。通過(guò)恒電流充放電、循環(huán)伏安等一系列實(shí)驗(yàn)的測(cè)定和分析，表明由該800度活化材料制備的超級(jí)電容器具有良好的電化學(xué)性能，適合較大功率充放電。

[1]Jiang,H.;Lee,P.S.;Li,C.,3D carbon based nanostructures for advanced supercapacitors.Energy&Environmental Science 2013,6(1),41-53.

[2]Zhi,M.J.;Xiang,C.C.;Li,J.T.;Li,M.;Wu,N.Q.,Nanostructured carbon-metal oxide composite electrodes for supercapacitors:a review.Nanoscale 2013,5(1),72-88