銀耳菌糠衍生的三維多級孔炭及其電化學(xué)應(yīng)用性能

鄧秀春，卓祖優(yōu)，白小杰，孫杰，陳燕丹

（福建農(nóng)林大學(xué)材料工程學(xué)院，福建 福州 350108）

為了尋求可持續(xù)綠色發(fā)展道路以應(yīng)對當(dāng)前的能源危機(jī)和環(huán)境問題，人們將目光投向生物質(zhì)資源的高值轉(zhuǎn)化和新能源的開發(fā)利用。同時(shí)，伴隨各類便攜式電子產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展，新型儲能器件的研發(fā)也成為當(dāng)下熱點(diǎn)[1]。在眾多的儲能器件中，超級電容器因其具有高功率密度（1000～2000W/kg）、充放電快速（1～60s）、安全穩(wěn)定和循環(huán)使用壽命長（＞106次）等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，被認(rèn)為是當(dāng)下極具潛力的儲能器件。而電極材料作為超級電容器的核心部件，其電化學(xué)性能、開發(fā)成本及大批量制備的可能性決定著超級電容器的商用前景。為此，研究者們充分借助生物質(zhì)原料物豐價(jià)廉、可再生、天然的多尺度微觀結(jié)構(gòu)和雜原子自摻雜等優(yōu)勢，制備獲得了孔結(jié)構(gòu)特性豐富多樣、綜合性能優(yōu)良的多孔炭材料，將其作為超級電容器的電極材料后，也顯示出極大的競爭優(yōu)勢[4-9]。

我國的食用菌年產(chǎn)量占全球七成以上，2019年的總產(chǎn)量已增長至3712 萬噸[10]。若參照50%的生物學(xué)效率進(jìn)行估算，每年產(chǎn)生的廢棄菌糠將超過7400 萬噸。受限于現(xiàn)有的處理技術(shù)，目前只有少量食用菌菌糠有所利用，絕大部分作為固體廢棄物就地焚燒或隨意丟棄，不僅造成嚴(yán)峻的環(huán)境問題，同時(shí)也是一種資源浪費(fèi)。因此，合理挖掘食用菌菌糠的新用途，使其變廢為寶，將產(chǎn)生可觀的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。福建古田素有“中國銀耳之鄉(xiāng)”的美譽(yù)，銀耳鮮品年產(chǎn)量達(dá)33 萬噸，占全國總產(chǎn)量的90%以上[11]，由此產(chǎn)生了大量廢棄菌糠亟待加以綠色高效的高值化利用。相關(guān)資料顯示，福建古田銀耳菌種的培養(yǎng)基配方中主要包含木屑（約70%）和麩皮（約25%）兩種成分。在銀耳生長過程中，培養(yǎng)基質(zhì)經(jīng)過菌絲體分泌物的酶解腐殖化作用后，菌糠木質(zhì)纖維基質(zhì)會(huì)變得“千瘡百孔”，呈現(xiàn)出疏松多孔的結(jié)構(gòu)。此外，被酶解侵蝕后的菌糠中還存在大量的菌絲殘?bào)w蛋白，為菌糠帶來豐富的氮元素，從而易于實(shí)現(xiàn)氮元素的自摻雜。由此可見，廢棄食用菌菌糠無論是其化學(xué)組成還是疏松多孔的結(jié)構(gòu)特性，將其作為生物質(zhì)基多孔炭的制備原料都具有先天優(yōu)勢。

近年來，研究者們發(fā)現(xiàn)NaOH/尿素體系對纖維素具有較好的潤脹溶解作用[12]。在低溫下，由于氫鍵作用，NaOH水合物被纖維素鏈吸引，而尿素水合物則自組裝到纖維素鏈的表面上，形成包覆結(jié)構(gòu)[13-15]。在NaOH 與尿素的共同作用下，纖維素的分子內(nèi)和分子間氫鍵被打斷，促進(jìn)了纖維素的溶解[12]?；谏鲜鋈芙鈾C(jī)制，也使得NaOH/尿素與原料的混合更加均勻[16]，從而為生物質(zhì)原料高效炭化活化提供了新思路。Song 等[16]以微晶纖維素為原料，NaOH/尿素溶液體系為活化劑和摻雜劑，制備出了大比表面積（2245m2/g）的纖維素基多孔炭，并且多孔炭的N 原子摻雜水平達(dá)到3%。盧燕鳳等[12]也以廢棄杉木屑為原料，發(fā)揮NaOH/尿素的溶解潤脹和活化作用，制備出了孔結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)（比表面積為811m2/g）且具有高效脫硫效果的顆?；钚蕴?。由此可見，利用NaOH/尿素體系處理、活化富含纖維素的生物質(zhì)原料，可一步制備獲得大比表面積和N 元素?fù)诫s的多孔炭材料，為其作為優(yōu)良儲能材料提供可能。本文以福建古田的廢棄銀耳菌糠為原料，利用NaOH/尿素體系一步法制備獲得大比表面積和高氮摻雜量的3D 多級孔炭，并對樣品的孔隙結(jié)構(gòu)、微觀形貌、化學(xué)組成和電化學(xué)應(yīng)用性能進(jìn)行表征和分析，為實(shí)現(xiàn)菌糠固體廢棄物的資源化再利用提供新思路和理論參考。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

銀耳菌糠取自福建古田，廢棄菌糠經(jīng)粉碎后過100目篩，烘干備用。參照固體生物質(zhì)燃料工業(yè)分析方法（GB/T 28731—2012）分析銀耳菌糠的成分，結(jié)果如下：水分6.27%、灰分6.09%、揮發(fā)分64.31%、固定碳23.33%。元素分析結(jié)果如下：C 68.72%、N 2.93%、H 3.87%。氫氧化鈉，尿素均來自于國藥集團(tuán)。試驗(yàn)所用化學(xué)試劑皆為分析純，試驗(yàn)用水皆為去離子水。

馬弗爐，KDF-S70，東京理化；元素分析儀，Vario MICRO cube，德國元素Elementar；場發(fā)射掃描電子顯微鏡，F(xiàn)SEM，日立SU8010；X 射線衍射分析，XRD，RigakuUltimaⅣ，采用CuKα為射線源，波長λ=0.1541nm，管電壓80kV，掃描角度區(qū)間為2θ=5°～80°；激光顯微拉曼光譜儀，Raman，Invia Reflex；X射線光電子能譜，XPS，Escalab 250Xi；比表面積與孔徑分析，BET，ASAP 2020HD88，吸附測試前所有樣品在300℃下脫氣4h，在77K 下以氮?dú)庾鳛槲浇橘|(zhì)，利用Brunauer-Emmet-Telle（BET） 來計(jì)算材料的比表面積，利用NLDFT（non-local density functional theory）模型來測定孔結(jié)構(gòu)參數(shù)；電化學(xué)工作站，ZahnerZennium E4，德國札納；藍(lán)電測試系統(tǒng)，LAND CT2001A，武漢藍(lán)電。

1.2 樣品制備

銀耳菌糠衍生的三維多級孔炭的制備流程如圖1所示。首先，稱取7gNaOH、12g尿素與5g菌糠粉末混合，接著加入76g的去離子水，攪拌2h直至混合均勻。此后，將混合液放入冰箱低溫冷凍過夜（約12h），次日取出自然解凍。最后將混合液放入50℃的烘箱中烘干，待樣品成膠凝狀后取出，并將其轉(zhuǎn)移至馬弗爐中進(jìn)行炭化活化。炭化工藝如下：在N2氣氛下，以5℃/min 的升溫速率一步加熱至預(yù)設(shè)溫度（800℃、850℃、900℃），并保溫2h。待樣品冷卻至室溫后，取出將其研磨成粉末。此后，依次用0.5mol/L的鹽酸和去離子水洗滌樣品，烘干后標(biāo)記為BC-5-T（T為炭化溫度）。此外，將未使用NaOH/尿素處理的菌糠在800℃下炭化，標(biāo)記為BC-800，并以此為空白對照樣。

圖1 BC-5-T的制備示意圖

1.3 工作電極的制備及測試方法

將菌糠基多孔炭材料、聚偏氟乙烯（PVDF）和乙炔黑三者按8∶1∶1 的質(zhì)量比研磨混合均勻，此后滴加適量的N-甲基吡咯烷酮（NMP）并超聲10min，使各組分充分混合。而后將漿料用玻璃棒均勻涂覆并壓制于泡沫鎳上，置于80℃下干燥5h。

在三電極體系測試中，以飽和甘汞電極為參比電極，Pt 片為對電極，電勢窗口為-1.0～0V。循環(huán)伏安測試的掃描速率范圍為2～200mV/s，恒電流充放電測試的電流密度范圍為0.5～10A/g，交流阻抗測試的振幅為5mV，頻率為0.01Hz～100kHz。樣品的質(zhì)量比電容（Cg）根據(jù)GCD曲線由式(1)計(jì)算。

式中，I是電流密度，A/g；Δt是放電時(shí)間，s；m是活性質(zhì)量，g；ΔV為電勢窗口，范圍為-1.0～0V。

在兩電極測試系統(tǒng)中，選取兩片含活性物質(zhì)質(zhì)量（約3mg/cm2）相近的電極樣片進(jìn)行測試，質(zhì)量比電容由式(2)計(jì)算。

式中，M為兩片電極所包含的活性物質(zhì)的總質(zhì)量，電勢窗口為-1.4～0V，其余測試參數(shù)與三電極測試系統(tǒng)一致。

1.4 對稱型扣式超級電容器的組裝及測試

將電極樣片、隔膜、電極樣片按三明治結(jié)構(gòu)置于電池模具中依次組裝，并滴加適量6mol/L 的KOH 溶液，待電極片充分潤濕后模壓成對稱型扣式超級電容器，在武漢藍(lán)電測試系統(tǒng)中測試其電化學(xué)性能。

超級電容器的能量密度（Ecell，Wh/kg）和功率密度（Pcell，W/kg）分別由式(3)和(4)計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 X射線衍射和拉曼光譜分析

圖2(a)為BC 系列樣品的X 射線衍射（XRD）圖譜。從圖中可以看出，所有樣品都只在24°和44°附近處出現(xiàn)寬峰，分別對應(yīng)非晶石墨的（002）和（101）晶面，表明所得產(chǎn)品均為純碳材料。此外，圖2(a)中的寬峰也表明BC 系列樣品中存在微石墨化結(jié)構(gòu)，將其作為電極材料使用時(shí)有助于電荷的轉(zhuǎn)移[17]。圖2(b)為樣品的拉曼光譜圖，其中1337cm-1附近處的D 帶和1607cm-1附近處的G 帶分別對應(yīng)于石墨的結(jié)構(gòu)缺陷和sp2碳原子的面內(nèi)振動(dòng)，ID/IG比值反映了炭材料的石墨化程度（ID/IG值越小石墨化程度越高）。從圖2(b)中可以看出，BC-800 具有最小的ID/IG值（0.75），表明其石墨化程度較高。而BC-5-T系列樣品的ID/IG值變化不大，但均明顯小于BC-800 樣品，表明NaOH/尿素的使用可顯著改變所得樣品的石墨化程度。此外，在BC-5-T系列樣品中，在2800cm-1附近的2D帶也弱化消失，推測由于NaOH 的活化作用和氮元素?fù)诫s，造成碳骨架的石墨化微晶結(jié)構(gòu)進(jìn)一步被破壞且晶格缺陷增多，從而導(dǎo)致該系列樣品的石墨化程度降低。但是，由活化作用產(chǎn)生的發(fā)達(dá)孔隙和晶格結(jié)構(gòu)缺陷有助于帶來更豐富的電活性位點(diǎn)。

圖2 BC-800和BC-5-T樣品的XRD圖譜和拉曼光譜圖

2.2 微觀形貌分析

BC-800和BC-5-800的掃描電鏡照片分別如圖3(a)和圖3(b)所示。從圖3(a)中可看出，將菌糠原料直接進(jìn)行高溫炭化后，其中的菌絲體和木質(zhì)組分表面較光滑，且菌絲體的中空管狀結(jié)構(gòu)形貌得以較好保留。由圖3(b)可見，在NaOH/尿素的作用下，菌糠中的木質(zhì)組分形成了具有發(fā)達(dá)孔隙結(jié)構(gòu)的碳骨架網(wǎng)絡(luò)。這是由于原料在預(yù)處理階段，活化劑通過破碎的宏觀孔隙進(jìn)入材料內(nèi)部，此后的溶脹溶解作用又使得活化劑與原料中木質(zhì)組分的混合更加充分，最終使得炭化活化產(chǎn)物產(chǎn)生發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)[如圖3(b)的內(nèi)插圖所示]。另一方面，在高溫炭化后，菌絲體天然的中空管狀遺態(tài)結(jié)構(gòu)未被完全破壞。這可能是由于菌絲體具有較厚的管壁和相互纏繞的整體結(jié)構(gòu)，活化劑可在其表面和進(jìn)入管道內(nèi)部進(jìn)行刻蝕造孔。由此推測，菌糠中的木質(zhì)組分和菌絲殘?bào)w經(jīng)炭化活化后，形成了相互貫通的三維多尺度孔道網(wǎng)絡(luò)并具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可大大增加材料電化學(xué)儲能的活性位點(diǎn)，也為電解質(zhì)的擴(kuò)散傳質(zhì)提供了便捷的通道。

圖3 BC-800和BC-5-800樣品的掃描電鏡圖

2.3 比表面積與孔結(jié)構(gòu)分析

圖4(a)為BC-800 和BC-5-T的N2吸-脫附等溫線。從圖中可以看出BC-800 只在低壓區(qū)出現(xiàn)快速吸附，在中高壓區(qū)未出現(xiàn)滯后回環(huán)，表明其以微孔為主。相比之下，BC-5-T樣品不僅在低壓區(qū)（0

0.9時(shí)出現(xiàn)明顯上揚(yáng)，出現(xiàn)典型的分級孔結(jié)構(gòu)特征。結(jié)合表2可知，未經(jīng)活化的菌糠炭化物，由于自身天然的三維孔隙結(jié)構(gòu)和無機(jī)鹽、雜質(zhì)的脫除，其比表面積和孔容分別達(dá)到486m2/g和0.27cm3/g，高于一般的生物質(zhì)原料炭化料。在NaOH/尿素作用下，BC-5-T樣品的比表面積和孔容大幅增加。其中BC-5-800 比表面積和孔容最大，分別為1568m2/g 和1.53cm3/g。而隨著炭化溫度的提高，BC-5-850 和BC-5-900的比表面積分別下降至1391m2/g和1043m2/g。推測可能是由于NaOH和原料在凍融預(yù)處理過程中得到了充分的滲透混合，使得樣品在800℃下就獲得了理想的活化效果，但隨著活化溫度的升高，樣品出現(xiàn)過度活化，微、介孔被進(jìn)一步刻蝕擴(kuò)孔，從而導(dǎo)致比表面積和孔容的下降。另一方面，炭材料合理的孔徑分布也是影響其電化學(xué)性能的因素之一。從圖4(b)中可以發(fā)現(xiàn)，BC-5-T系列樣品呈現(xiàn)相似的多尺度孔徑分布，分別集中于1～4nm的微/介孔區(qū)、25～50nm 的介孔區(qū)和60～125nm 的大孔區(qū)，進(jìn)一步驗(yàn)證了BC-5-T 系列樣品具有較好的分級多孔結(jié)構(gòu)。此外，由表2可知，樣品的平均孔徑隨著炭化溫度的增加而變大，再次表明炭化溫度的升高將產(chǎn)生更顯著擴(kuò)孔效應(yīng)。由此可見，憑借菌糠自身的優(yōu)良特性，協(xié)同NaOH/尿素體系的高效活化作用，可使所制樣品具有較高的比表面積和孔容。借助這種優(yōu)良的三維多級孔結(jié)構(gòu)，可以增大炭材料與電解液的可及接觸面積，為電解質(zhì)離子和電子的傳輸提供快速通道，并增加儲能位點(diǎn)[18]。

圖4 BC-800和BC-5-T的N2吸附脫附等溫線和孔徑分布圖

表2 BC-800和BC-5-T的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.4 X射線光電子能譜分析

為探明樣品中主要組成元素的化學(xué)鍵合環(huán)境和相對含量，對樣品進(jìn)行了X 射線光電子能譜（XPS）測試。如圖5(a)所示，BC-5-800 樣品在200～600eV 的區(qū)間內(nèi)可明顯觀察到三個(gè)較強(qiáng)的C 1s、N 1s 和O 1s 信號峰，其含量分別為87.72%、7.78%和4.50%。相比之下，BC-800樣品的XPS分析結(jié)果顯示其N含量為0.26%，表明銀耳菌糠炭具有微量的N自摻雜。顯然，經(jīng)NaOH/尿素處理后的所制得的銀耳菌糠炭BC-5-800 的N 摻雜水平明顯提升。這可能是由于在高溫下碳基質(zhì)表面的含氧官能團(tuán)（如C—OH和C—O—C）被部分移除，由此產(chǎn)生的新活性位點(diǎn)與尿素反應(yīng)生成C—N鍵，從而使N元素嵌入到碳晶格中[19-21]。另一方面，部分尿素依次分解生成NH3和-CxNy*，成為二次N摻雜劑[20,22-23]。從圖4、圖5中可以發(fā)現(xiàn)BC-5-800樣品中C 1s主要存 在4 種 鍵 合 方 式， 分 別 對 應(yīng)C—C/C—H（283.94eV）、 C—N/C==N （285.24eV）、 C—O（286.26eV）、O—C==O（289.1eV）。同樣，圖5(c)顯示其N 1s光譜可擬合為4個(gè)峰，分別對應(yīng)于吡啶-N（397.7eV）、吡咯-N（399.1eV）、季型N（400.2eV）、吡啶-N-氧化物（402.4eV）[24-25]。其中，季型氮和吡啶-N-氧化物由于其帶有正電荷可以改善炭材料的電子傳遞，而吡啶-N和吡咯-N則可以貢獻(xiàn)贗電容[26-27]。因此，尿素的存在可以有效提升銀耳菌糠多孔炭氮摻雜水平，從而改善材料的電化學(xué)性能。根據(jù)XPS 分析結(jié)果，圖5(d)給出了BC-5-800 可能的化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖[28]。

圖5 BC-5-800的XPS圖譜

2.5 電化學(xué)性能分析

BC-5-T電極材料在三電極測試體系中的電化學(xué)性能如圖6所示。從圖6(a)可以發(fā)現(xiàn)，在2mV/s下BC-5-T系列樣品的循環(huán)伏安（CV）曲線表現(xiàn)為類矩形，且BC-5-800 擁有相對較大的曲線積分面積，表明其具有更大的比電容。結(jié)合圖6(d)可知，BC-5-800 即使在200mV/s 的大掃描速率下，CV 曲線仍顯現(xiàn)出較好的類矩形狀，表明材料不僅具有理想的雙電層電容行為和良好的導(dǎo)電性，還具有較好的倍率性能。圖6(b)為BC-5-T樣品在0.5A/g下的恒流充放電（GCD）曲線。由圖可知，三個(gè)樣品的GCD曲線都為對稱等腰三角形且無明顯的電壓降，表明其具有優(yōu)良的電荷存儲可逆性及導(dǎo)電性。此外，BC-5-800相比其他樣品具有更長的放電時(shí)間，由式(1)計(jì)算的比電容為278F/g，遠(yuǎn)高于BC-5-850的144F/g 和BC-5-900 的160F/g。在不同掃描速率[圖6(e)]和不同電流密度下[圖6(f)]測試BC-5-800的GCD曲線，仍表現(xiàn)出理想的線性和對稱性；且當(dāng)電流密度由0.5A/g提高至10A/g時(shí)，其比電容仍能達(dá)到230F/g，展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能。這種優(yōu)異的電容行為可歸因于BC-5-800具有理想的三維多級孔結(jié)構(gòu)，較大的比表面積和合適的N摻雜水平。一方面，由木質(zhì)纖維組分衍生的大孔碳骨架立體網(wǎng)絡(luò)和菌絲體遺態(tài)的中空管道為電解質(zhì)離子的滲透和傳輸提供良好通道，而經(jīng)NaOH活化后產(chǎn)生的大量微孔和介孔則為電荷存儲提供有利場所。另一方面，較高的N原子摻雜水平不僅可有效增強(qiáng)炭材料在水性電解質(zhì)中的潤濕性，引入法拉第贗電容，還可以在碳骨架中造成更多的點(diǎn)結(jié)構(gòu)缺陷，從而產(chǎn)生更多的能量位點(diǎn)[29-30]。與此同時(shí)，當(dāng)電流密度增大時(shí)，較大的孔容和高介孔率（83%）保證了離子能夠在材料中實(shí)現(xiàn)較好的滲透和遷移，從而減緩比電容的衰減。

交流阻抗（Nyquist）圖可以反映材料的導(dǎo)電性能和動(dòng)力學(xué)過程。從圖6(c)中的高頻區(qū)可以看出，在6mol/L KOH 中，三個(gè)樣品都具有較低的內(nèi)阻（Rs），其中BC-5-800 的Rs僅為0.34Ω，表明其能夠?qū)崿F(xiàn)快速的電荷和電子傳輸。同時(shí)，三個(gè)樣品在中高頻區(qū)具有較小的半圓弧，顯示出較低的電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct），從而能夠在充放電過程中實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)的高效傳輸利用。另一方面，樣品在低頻區(qū)呈現(xiàn)為接近垂直的斜線，且Warburg擴(kuò)散線較短，表明該電極材料具有較理想的電容行為和離子擴(kuò)散能力。正如前文所述，BC-5-800 所呈現(xiàn)的優(yōu)越的電化學(xué)阻抗行為，可能與菌糠中的木質(zhì)纖維組分和中空菌絲體經(jīng)炭化活化后所形成的一體化相互貫穿的多尺度孔道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)。這種發(fā)達(dá)的三維多級孔結(jié)構(gòu)增大了電解質(zhì)與電極材料的可及接觸面積，也為電子和離子傳輸提供了高速路徑[31]。

圖6 三電極測試系統(tǒng)下BC-5-T的電化學(xué)性能

為了更好地驗(yàn)證BC-5-800 作為超級電容器電極材料的應(yīng)用性能，以6mol/L KOH 為電解質(zhì)，在兩電極體系下對其進(jìn)行測試。如圖7(a)所示，在同一掃描速率（20mV/s）、不同開路電壓（-1.0～0V和-1.2～0V）下，樣品的CV 曲線形狀基本保持一致，且曲線積分面積隨著電勢窗口增加而增大。當(dāng)開路電壓達(dá)到1.4V 時(shí)，陰極電流快速增加，表明BC-5-800 電極材料工作的極限開路電壓為-1.4～0V。結(jié)合圖7(b)可知，在-1.4～0V 的電勢窗口中，即使在100mV/s 的大掃描速率下，樣品的CV 曲線仍表現(xiàn)為類矩形，具有較理想的電容行為。圖7(c)為BC-5-800電極材料的Nyquist譜圖，其高頻區(qū)部分和等效電路如內(nèi)插圖所示。由圖分析可知，BC-5-800 在兩電極體系中的內(nèi)阻Rs為1.41Ω，電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct為0.31Ω，呈現(xiàn)出良好的導(dǎo)電能力。圖7(d)為BC-5-800在不同電流密度下的GCD曲線，在低電流密度下（0.5A/g 和1A/g），曲線在放電臨近結(jié)束時(shí)出現(xiàn)類似平臺的平緩曲線，推測可能是由于測試的開路電壓接近極限所致?？偠灾?，BC-5-800在兩電極測試系統(tǒng)中顯示出較寬的工作電壓范圍和良好的導(dǎo)電性，且具有優(yōu)良的電容性能和倍率性能。

圖7 兩電極體系下BC-5-800的電化學(xué)性能

為了進(jìn)一步考察所制菌糠多級孔炭作為電極材料的實(shí)際應(yīng)用能力，基于BC-5-800 組裝了紐扣式對稱型超級電容器，測得的Ragone曲線如圖8(a)所示。當(dāng)功率密度為350W/kg時(shí)，樣品的能量密度達(dá)到7.19Wh/kg；當(dāng)功率密度提高至1400W/kg時(shí)，器件的能量密度仍略有提高，為7.77Wh/kg。在10A/g的電流密度下，當(dāng)功率密度高達(dá)6990W/kg 時(shí)，器件的能量密度仍能達(dá)到5.83Wh/kg，表現(xiàn)出優(yōu)良的倍率性能。另一方面，圖8(b)顯示了該超級電容器在2A/g 下的循環(huán)使用穩(wěn)定性。從圖中可以看出，經(jīng)過10000次的循環(huán)充放電之后，器件的比電容僅下降了13%，而庫侖效率始終接近100%，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。最后，本文將自制的兩枚紐扣電池串連后，成功點(diǎn)亮了一個(gè)2.5V 黃光LED，顯示出較大的應(yīng)用潛力。

圖8 對稱型BC-5-800基超級電容器性能

3 結(jié)論

以栽培銀耳的廢棄菌糠為原料，經(jīng)NaOH/尿素體系進(jìn)行凍融預(yù)處理和高溫炭化后，制備得到孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)的三維多級孔炭材料。其中，BC-5-800樣品的比表面積可達(dá)1568m2/g，且具有較高的N摻雜水平（7.78%）。電化學(xué)綜合分析結(jié)果顯示，銀耳菌糠衍生的多級孔炭電極的最大比電容為278F/g（0.5A/g），且在10A/g 的大電流密度下其比電容保持率為83%，具有理想的倍率性能。在兩電極裝置中，測得樣品BC-5-800 的能量密度最高可達(dá)7.77Wh/kg（功率密度1400W/kg），且在2A/g 下循環(huán)充放電10000次后的電容保持率為87%，表現(xiàn)出優(yōu)異的電容性能和循環(huán)穩(wěn)定性。因此，基于菌糠基質(zhì)疏松多孔且富含中空結(jié)構(gòu)菌絲殘?bào)w的天然特性，利用NaOH/尿素體系作為高效活化劑和氮摻雜劑，制備獲得電化學(xué)性能優(yōu)良的三維多級孔炭材料，對大量菌糠固體廢棄物的規(guī)?；邇r(jià)值利用具有重要意義。