廢棄荔枝殼資源化及超級電容器性能研究

林威 彭超 李長旭

摘要：通過氫氧化鉀溶液水熱和活化工藝，將廢棄荔枝殼轉化為生物質分級多孔活性炭材料。當電流密度為1 A g-1時，所制備的炭材料以氫氧化鈉和氫氧化鉀為電解液的比電容分別為376 F g-1和333 F g-1;繼而為廢棄荔枝殼提供一種資源化的可行途徑，并增加其附加值。

關鍵詞：荔枝殼;資源化;水熱;活化;超級電容器

Abstract：The waste litchi shell is converted into biomass graded porous activated carbon material through the hydrothermal of potassium hydroxide aqueous and carbonization process.When the current density is 1 A g-1， the specific capacitances of the prepared porous carbon material using sodium hydroxide aqueous and potassium hydroxide aqueous as electrolytes are 376 F g-1 and 333 F g-1，respectively.In addition，it provides a feasible way of resource for waste litchi shell，and increase its added value.

Key words：Litchi shell;Resource;Hydrothermal;Activation;Supercapacitor

1 背景介紹

超級電容器，一種能量密度和功率密度介于電池和物理電容器之間的能量儲存器件[1]。超級電容器用生物質活性炭因低廉的成本、豐富的含氧官能團和較高的比表面積等特性倍受研究人員青睞用于電極材料研究[2]。生物質活性炭通過KOH活化工藝，以胖大海、柚子皮等生物質為碳源所制備的多孔活性炭材料擁有良好的電化學電容性能[3，4]。

近來，國家倡導了一些“無廢城市”的試點，其中一項主要工作就是推進固體廢物源頭減量和資源化利用，即將可能再利用的固體廢物進行資源化，并實現附加值的增值利用。本文以廢棄生物質荔枝殼作為碳源，以氫氧化鉀溶液水熱和活化工藝制備多孔活性炭材料，通過BET測試、SEM、FT-IR和電化學測試方法來表征所制備的炭材料的相關性能參數。

2 實驗部分

2.1 實驗材料及主要儀器

材料及試劑：廢棄荔枝殼，氬氣，氫氧化鉀，泡沫鎳，聚四氟乙烯，乙炔黑和導電石墨;

儀器：電子分析天平（TP-114），水平管式爐（GSL-1700X），BET測試儀（ASAP-2000）和電化學工作站（CHI 660D）。

2.2 荔枝殼分級多孔活性炭的制備

收集廢棄荔枝殼，自然風干備用。水熱過程：將風干荔枝殼在盛有2mol/L KOH溶液的反應釜中80℃恒溫12h，洗凈后得樣品LC-1;活化過程：水熱后的荔枝殼冷凍干燥后在氬氣氛圍中800 ℃并保溫60min，洗凈后得樣品LC-2。

3 結果與討論

3.1 荔枝殼分級多孔活性炭的微觀結構

圖3.1a中可看出LC-2炭材料氮氣吸脫附曲線為IV型滯留環，即為中孔結構材料;LC-1材料的吸附曲線幾乎成為一條直線。圖3.1b表明LC-2材料最大吸附量位于微孔尺寸范圍內的1.09 nm處，同時在介孔和大孔范圍內也存在一定量的分布;而LC-1僅在介孔和大孔范圍內有極小的孔徑分布。隨著高溫活化工藝的引入，荔枝殼在氫氧化鉀的作用下產生了擴孔作用，在水熱后的產物表面形成了微孔、介孔和大孔的分級多孔結構;這有利于電解液離子快速地在電極-電解液界面形成致密的雙電層電容。

3.2 荔枝殼分級多孔活性炭的電容行為

圖2中，LC-2炭材料在氫氧化鉀和氫氧化鈉電解液中均擁有較高的比電容，這得利益于LC-2材料中的微孔集中在1.09 nm附近，可在電極-電解液界面形成完整的雙電層電容。進一步分析得到：當電流密度為1 A g-1時，氫氧化鈉電解液的比電容376 F g-1略微高于氫氧化鉀電解液的比電容333 F g-1;這主要歸結于鈉離子的半徑小于鉀離子的半徑，更加充分的利用了炭材料的微孔結構形成了雙電層電容。

4 結論

以廢棄荔枝殼為生物質碳源，采用氫氧化鉀溶液水熱和活化工藝制備的活性炭材料呈分級多孔結構。所制備的多孔炭材料在氫氧化鈉和氫氧化鉀電解液中均擁有良好的比電容;這為落實廢棄荔枝殼資源化和減量化的可行途徑奠定了有力舉措。

參考文獻

[1]桂長清.新型貯能單元超級電容器[J].電池工業，2003，8（4）：163-165.

[2]陳列春.超級電容器電極材料的制備與研究[D].廣州：廣東工業大學工學碩士學位論文，2008.

[3]Xu Zhang，Chao Peng，Rutao Wang，Junwei Lang.High-performance supercapacitors based on novel carbons derived from sterculia lychnophora[J].RSC Adv.，2015（5）：32159-32167.

[4]Chao Peng，Junwei Lang，Shan Xu，Xiaolai Wang.Oxygen-enriched activated carbons from pomelo peel in high energy density supercapacitors[J].RSC Adv.， 2014（4）：54662-54667.

收稿日期：2020-05-07

作者簡介：林威（1990-），男，漢族，本科學歷，助理工程師，研究方向為生物質活性炭的制備及應用研究和污染場地調查、風險評估和治理修復。

通訊作者：彭超（1987-），漢族，碩士研究生，中級工程師，研究方向為生物質活性炭的制備及應用研究和污染場地環境調查、風險評估和治理修復。