談 強,廖達秀,倪軒轅,陽濟章,李德念,袁浩然,
酒糟細渣制備雙摻雜多孔碳及其電化學(xué)性能研究*
談 強1,廖達秀1,倪軒轅2,3,4,陽濟章2,3,4,李德念2,3,4,袁浩然2,3,4,?
(1. 廣州環(huán)投永興集團股份有限公司,廣州 510015;2. 中國科學(xué)院廣州能源研究所,廣州 510640;3. 中國科學(xué)院可再生能源重點實驗室,廣州 510640;4. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室,廣州 510640)
以廢棄酒糟細渣為原料、KOH為活化劑制備具有優(yōu)異電化學(xué)性能的蜂窩狀結(jié)構(gòu)的O、N雙摻雜多孔碳。研究結(jié)果表明,當(dāng)酒糟細渣與KOH的質(zhì)量比為1∶3,熱解溫度為700 ℃時,制備的電極材料VPH-3-700性能最佳。電化學(xué)測試表明,VPH-3-700在0.2 A/g的電流密度下電化學(xué)比電容可達343.68 F/g,具有應(yīng)用于高性能超級電容器的潛力。較高的比電容主要得益于樣品的高比表面積(2 396 m2/g)以及具有電化學(xué)活性的雜原子官能團帶來的贗電容。該研究內(nèi)容為廢棄酒糟的資源化利用提供新的思路。
廢棄酒糟;雙摻雜多孔碳;超級電容器
能源是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的基礎(chǔ),根據(jù)國家統(tǒng)計局對2021年中國能源消費結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計,煤炭與石油的消費量分別占能源消費總量的56%和18.7%。然而,化石能源儲量有限,過度使用會造成環(huán)境污染,因此政府出臺可再生能源配額制政策,要求在地區(qū)電力建設(shè)中,可再生能源發(fā)電需保持或占有一定的比例。大多數(shù)可再生能源如風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能都具有地域性、間歇性等特點,需要發(fā)展高效的儲能設(shè)備將能源儲存起來,以滿足電網(wǎng)電力的調(diào)峰使用。
當(dāng)今主流的儲能設(shè)備包括液流電池[1]、鋰離子電池[2]、超級電容器[3]等。液流電池通過不同電解液離子相互轉(zhuǎn)化實現(xiàn)電能的儲存和釋放。與傳統(tǒng)二次電池相比,其電極反應(yīng)過程無相變發(fā)生,可以進行深度充放電,能耐受大電流進行充放電。但液流電池質(zhì)量能量密度較低,限制了其大規(guī)模的使用。鋰離子電池具有高能量密度、高工作電壓、低自放電等優(yōu)勢,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品、新能源汽車、軍用產(chǎn)品等。但鋰金屬資源較為稀缺,且鋰電池在充電過程中會不可避免地產(chǎn)生枝晶,存在一定的安全隱患。超級電容器憑借其出色的功率密度與循環(huán)穩(wěn)定性在眾多儲能器件中脫穎而出。雙電層超級電容器由碳電極構(gòu)成,其充放電過程僅發(fā)生電解質(zhì)離子的吸附與脫附,因此其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,充放電時間短。與當(dāng)前熱門的石墨烯、碳納米管等碳材料相比,生物炭[4-5]是制備超級電容器碳電極的另一種優(yōu)選原料,其制備工藝簡單,能很好地保留生物質(zhì)本身的纖維結(jié)構(gòu)以及N、S、P等非C、O元素,且生物質(zhì)儲量豐富。
酒糟細渣為釀酒廢棄物,其中保留著大量未被利用的生物與有機成分,是一種廉價、易獲得的生物炭原料。探索酒糟在電容器碳電極中的應(yīng)用對生物質(zhì)固廢的高效利用具有重要的意義?;诖耍狙芯坎捎镁圃慵氃鼮樵?、氫氧化鉀為活化劑,制備了應(yīng)用于超級電容器的多孔碳材料。通過系統(tǒng)的研究,對其理化結(jié)構(gòu)進行了表征,并且將結(jié)構(gòu)與電化學(xué)性能相關(guān)聯(lián)。該研究結(jié)果對酒糟細渣的資源化能源化利用具有參考意義,也可為超級電容器電極材料制備的提供新選擇。
氫氧化鉀購自上海麥克林生化科技股份有限公司,導(dǎo)電炭黑(ECP600JD)購自蘇州晟爾諾科技有限公司,聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)購自阿拉丁試劑(上海)有限公司。
以VPH-3-700為例進行說明(制備的生物炭記為VPH-M-T,其中M代表KOH與預(yù)碳化細渣的質(zhì)量比,T代表熱解溫度)。將收集的酒糟細渣烘干并磨成粉末置于管式爐中氮氣氣氛下以5 ℃/min的升溫速率升溫至450 ℃預(yù)碳化30 min。冷卻至室溫后將預(yù)碳化的細渣與KOH按質(zhì)量比1∶3混合均勻后置于管式爐中在氮氣氣氛下以5 ℃/min的升溫速率加熱至700 ℃,退火1 h得到黑色固體。使用鹽酸與去離子水分別清洗固體后得到黑色多孔碳VPH-3-700。
比表面積和孔隙率使用自動體積吸附分析儀(美國,美國康塔儀器公司,ASIQMO002-2)測定,使用Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法計算比表面積,并使用基于N2等溫吸附數(shù)據(jù)的密度泛函理論(density functional theory, DFT)確定孔徑分布。通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)(日本,Hitachi,S-4800)和場發(fā)射透射電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)(日本,JEOL,JEM-2100F)對樣品的結(jié)構(gòu)和形態(tài)進行表征。使用拉曼光譜儀(法國,Horiba Jobin Yvon,LabRAM HR800)和X射線衍射(X-ray diffraction, XRD)(荷蘭,PANalytical,X’Pert Pro MPD)表征樣品的結(jié)晶度。通過X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscope, XPS)(美國,Thermo Fisher Scientific,ESCALAB 250Xi)分析多孔碳樣品表面上的元素以及鍵合狀態(tài)。
在乙醇溶液中將所得樣品與導(dǎo)電炭黑、黏結(jié)劑以質(zhì)量比為8∶1∶1的比例進行混合,并將混合物研磨成漿液后均勻涂敷在泡沫鎳上。將涂覆活性成分的泡沫鎳放入105 ℃的烘箱保持1 h,隨后置于壓片機中使用5 MPa的壓力作用30 s即可得到工作電極。
使用三電極體系在CHI760E電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)下進行電化學(xué)測試,使用Pt電極與飽和甘汞電極分別作為對電極與參比電極,并以6 mol/L KOH溶液為電解液進行恒流充放電(galvanostatic charge/discharge, GCD)、循環(huán)伏安(cyclic voltammetry, CV)、電化學(xué)阻抗譜(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)測試。
采用SEM與TEM表征了VPH-3-700的形貌特點。圖1(a、b)顯示,樣品呈現(xiàn)出多孔的蜂窩狀結(jié)構(gòu),其豐富的孔隙分布可以為電解質(zhì)離子的吸脫附提供較多的活性位點。不同尺寸孔隙之間通過碳相互交聯(lián),有利于提高樣品的導(dǎo)電性。圖1(c、d)中樣品的凹凸形貌也表明其豐富的多孔結(jié)構(gòu)。
圖1 VPH-3-700的SEM圖(a、b)和TEM圖(c、d)
采用N2吸附?解吸等溫線對樣品的孔徑進行了分析。通過圖2(a)可以發(fā)現(xiàn)熱解溫度為600 ℃和700 ℃的樣品的吸附等溫線均呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的 Ⅰ 型等溫線形狀,表明樣品主要為微孔吸附,而VPH-3-700較高的吸附量體現(xiàn)了其擁有較多的微孔數(shù)量。VPH-3-800的吸附等溫線呈現(xiàn)出 Ⅱ 型等溫線形狀,表明樣品含有大量的介孔吸附,說明過高溫度可能導(dǎo)致樣品孔隙的破壞。由圖2(b)也可以看出VPH-3-800中存在著大量尺寸大于3 nm的孔。各樣品的詳細孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。微孔對樣品的比表面積貢獻最多,也是離子發(fā)生吸附與脫附的主要場所,而介孔與大孔協(xié)助離子的運輸與聚集,因此含有分級多孔結(jié)構(gòu)的材料很適合作為超級電容器的電極。VPH-3-700擁有最高比表面積2 396m2/g,同時也具有分級多孔結(jié)構(gòu),是理想的電極材料。
表1 VPH-M-T的孔結(jié)構(gòu)特性
采用XRD和拉曼光譜分析了多孔碳VPH-M-T的晶體結(jié)構(gòu)。所有樣品的XRD曲線[圖3(a)]均在2為23.2°和43.3°處出現(xiàn)兩個寬峰,分別代表多孔碳石墨的(002)和(100)晶面[6],且碳材料的結(jié)晶性比較弱。
碳化樣品的石墨化程度通過拉曼光譜進行表征,如圖3(b)所示。D峰和G峰均是碳材料晶格振動的特征拉曼峰,分別位于1 338 cm?1和1 580 cm?1附近[7],其中D峰代表C原子晶體的缺陷,G峰代表C原子sp2雜化的面內(nèi)伸縮振動,(D)/(G)是D峰和G峰的強度比,該比值可以用來描述這兩個峰的強度關(guān)系,比值越大代表著碳結(jié)構(gòu)缺陷越多。VPH-2-700、VPH-3-600、VPH-3-700、VPH-3-800、VPH-4-700的(D)/(G)值分別為1.29、1.21、1.33、1.09、1.14,可知VPH-3-700的(D)/(G)值最大,代表其擁有更多的結(jié)構(gòu)缺陷,可以為離子吸脫附提供更多的活性位點。而適當(dāng)?shù)厣邿峤鉁囟瓤梢源龠M樣品的石墨化程度,有利于提高樣品的導(dǎo)電性。
XPS譜圖揭示了VPH-3-700表面元素的組分、鍵合狀態(tài)和官能團類型。圖4(a)表明VPH-3-700含有O、N雜原子,其含碳量為71.02%,O、N含量分別為26.28%和2.70%,這是使用生物質(zhì)作為碳源的優(yōu)勢。碳元素的精細譜[圖4(b)]可以擬合為三個峰,分別為C=C(~ 284.18 eV)、C—O(~ 285.58 eV)、C=O(~ 289.08 eV)。氧元素的精細譜可以擬合為兩個峰,分別為C—O(~ 532.38 eV)、C=O(~ 533.28 eV),C=O和C—O均具有電化學(xué)活性,可能與電解質(zhì)離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)。并且C—O基團能增加親水性,可以使電極與電解質(zhì)更好地接觸。因此,氧原子不僅可以提高電極表面的濕潤度,還能引入更多的結(jié)構(gòu)缺陷,為吸附和解吸提供更多的位點[8-9]。此外,氮元素的精細譜可以擬合成三個峰,分別為吡啶氮(~ 397.38 eV)、吡咯氮(~ 399.38 eV)和石墨氮(~ 402.78 eV),吡啶氮與吡咯氮可以產(chǎn)生贗電容,增加電極的比容量,而石墨氮可以促進電荷轉(zhuǎn)移,提高材料的導(dǎo)電性[10-11]。
圖4 VPH-3-700的XPS總譜(a)、碳元素精細譜(b)、氧元素精細譜(c)和氮元素精細譜(d)
在標(biāo)準(zhǔn)三電極電化學(xué)體系中研究VPH-M-T電極的電化學(xué)性能。在掃描速率為10 mV/s、電流密度為1 A/g的條件下,選取 ?1 ~ 0 V的電位窗口進行測試,得到CV與GCD曲線。首先測試了未加活化劑處理得到的樣品VPH-0-700,其在1 A/g和10 A/g下的比電容分別為101.24 F/g和66.08 F/g,表明酒糟生物炭自身孔隙能儲存的電荷量很小。如圖5(a)所示,所有經(jīng)過活化劑處理的樣品的CV曲線都顯示出較大的面積,表明其電化學(xué)性能有所提升。此外,圖中呈現(xiàn)出不規(guī)則的近矩形形狀,表明氧氮官能團在充放電過程中貢獻了贗電容。如圖5(b)所示,所有樣品在1 A/g下呈現(xiàn)出近等腰三角形形狀,其中VPH-3-700的放電時間最長,代表其在1 A/g下?lián)碛休^高的比容量。表2與表3列舉了不同樣品在不同電流密度下的比電容大小。樣品VPH-4-700和VPH-3-800的比電容明顯低于VPH-2-700、VPH-3-600、VPH-3-700。而表1已指明VPH-4-700與VPH-3-800微孔體積的占比都較低,表明微孔是發(fā)生離子吸脫附的主要場所,同時過量的活化劑以及過高的熱解溫度會導(dǎo)致碳孔道結(jié)構(gòu)的破壞。VPH-2-700、VPH-3-600、VPH-3-700都具有較高的微孔占比,而VPH-3-700的微孔比表面積最大且孔道分布更為合理,使得其電化學(xué)性能突出。
表2 VPH-2-700、VPH-3-700、VPH-4-700在不同電流密度下的比電容
表3 VPH-3-600、VPH-3-700、VPH-3-800在不同電流密度下的比電容
圖6(a、b)為VPH-3-700在掃描速率為10 ~ 200 mV/s、電流密度為0.5 ~ 10.0 A/g的條件下測試的CV和GCD曲線圖。CV曲線的面積隨著掃描速率的增加而增大,在高掃描速率下,離子擴散更快。樣品在大電流密度下的比電容相比小電流密度下衰減更快,這是由于在VPH-3-700中存在能產(chǎn)生贗電容的官能團,在快速的充放電過程中,離子來不及完成氧化還原反應(yīng),導(dǎo)致贗電容貢獻不大。樣品的EIS測試從另一方面揭示了VPH-M-T的電化學(xué)性能,實驗在10 mHz ~ 100 kHz的頻率范圍內(nèi)以開路電位(open circuit potentials, OCPs)進行,測試結(jié)果如圖6(c)所示。可以看出,奈奎斯特曲線在高頻段和中頻段有兩個半圓。在高頻處,曲線會與實部軸相交,截距的數(shù)值大小代表串聯(lián)電阻s的大小,其中包含了不同電極材料產(chǎn)生的電阻和固液相之間的電阻,樣品VPH-3-700由于具有高比表面積的特點,會導(dǎo)致樣品內(nèi)部的接觸較小,產(chǎn)生高的阻抗,因此VPH-3-700的圖線與實軸的交點會偏后。高頻的半圓與電極反應(yīng)動力學(xué)有關(guān),半圓的直徑長度反映電荷轉(zhuǎn)移電阻ct的大小,直徑越小,離子越容易從液相到達電極表面,越容易通過電極的孔隙結(jié)構(gòu)。這與材料的孔道結(jié)構(gòu)以及濕潤性有關(guān),擁有豐富大孔的材料更有助于電解液的傳輸,而濕潤性的提高可以更好地讓材料與電解液接觸。這是材料VPH-3-800ct值小的原因。此外,中間區(qū)域的一條近45°的線表示瓦爾堡電阻w,這與電極內(nèi)離子的擴散有關(guān)[12-14]。
圖6 (a)VPH-3-700在不同掃描速率下的CV圖線;(b)VPH-3-700在不同電流密度下的GCD圖線;(c)VPH-M-T的EIS圖譜
表4列出了其他類型生物質(zhì)作為原料,采用KOH為活化劑所制備電容器碳材料的電化學(xué)性能參數(shù),由表可知本研究使用的酒糟生物炭在1 A/g下?lián)碛?51.1 F/g的比電容,遠高于使用其他生物質(zhì)材料所得到的碳材料的性能參數(shù)。這得益于酒糟細渣自身豐富的孔隙結(jié)構(gòu)以及摻雜的氧、氮元素。
表4 不同生物質(zhì)為原料所制備的碳材料的性能數(shù)據(jù)
以酒糟細渣為碳源、KOH為活化劑,成功制備了具有O、N雙摻雜的蜂窩狀多孔碳。700 ℃條件下活化所制備的生物炭VPH-3-700擁有分級多孔結(jié)構(gòu),其表面氧、氮官能團可同時改善樣品的導(dǎo)電性與浸潤性,并增加了贗電容。得益于優(yōu)化的結(jié)構(gòu)特點,VPH-3-700制備的碳電極具有超高的比電容以及優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。本研究為釀酒廢棄酒糟的高價值利用提供了新的途徑。
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Preparation and Electrochemical Properties of Double-Doped Porous Carbon from Vinasse
TAN Qiang1, LIAO Daxiu1, NI Xuanyuan2,3,4, YANG Jizhang2,3,4,LI Denian2,3,4, YUAN Haoran2,3,4,?
(1. Grandtop Yongxing Group Co. Ltd., Guangzhou 510015, China;2. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China;3. CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou 510640, China;4. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China)
O, N double-doped porous carbon with honeycomb structure and superior electrochemical property has been prepared by using vinasse as raw material and KOH as the activator. The results showed that the optimal electrode material was VPH-3-700, which was prepared under the mass ratio of vinasse to KOH of 1:3 at the pyrolysis temperature of 700 ℃. Electrochemical tests showed that the electrochemical capacitance of VPH-3-700 reached 343.68 F/g at 0.2 A/g, which was of potential for application in high-performance supercapacitors. The superior capacitance performance was mainly attributed to the high specific surface area (2 396 m2/g) of the VPH-3-700 and the pseudocapacitance generated by the electrochemically active heteroatomic functional groups. This study provides a new technological idea for the recycling and energy utilization of vinasse.
vinasse; double-doped porous carbon; supercapacitor
2095-560X(2023)05-0426-07
TK09
A
10.3969/j.issn.2095-560X.2023.05.005
2023-06-13
2023-07-14
廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項目(2022A1515011653);廣州市科技計劃項目(202201010687)
袁浩然,E-mail:yuanhr@ms.giec.ac.cn
談強, 廖達秀, 倪軒轅, 等. 酒糟細渣制備雙摻雜多孔碳及其電化學(xué)性能研究[J]. 新能源進展, 2023, 11(5): 426-432.
:TAN Qiang, LIAO Daxiu, NI Xuanyuan, et al. Preparation and electrochemical properties of double-doped porous carbon from vinasse[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(5): 426-432.
談 強(1972-),男,碩士,高級工程師,主要從事固體廢棄物能源化與資源化利用研究。
袁浩然(1981-),男,博士,研究員,主要從事有機固廢能源化與資源化高效清潔利用基礎(chǔ)理論及技術(shù)開發(fā)研究。