綜合化學實驗的設計
——氮摻雜生物質基三維多孔碳材料的制備及電化學性能的研究

王麗麗 余建國 曲玉寧 安會琴 嚴 峰 / 天津工業大學環境與化學工程學院

綜合化學實驗的設計
——氮摻雜生物質基三維多孔碳材料的制備及電化學性能的研究

王麗麗 余建國 曲玉寧 安會琴 嚴 峰 / 天津工業大學環境與化學工程學院

隨著社會發展對創新型人才的需求，高校教育必須與時俱進，以適應時代發展。綜合化學實驗作為工科專業開設的提高本科生創新能力的實驗課之一，如何設計創新性、貼近生活的化學實驗對提高教學效果、培養學生創新能力、分析、解決、總結問題的能力具有重要作用。本文通過具體實驗“氮摻雜生物質基三維多孔碳材料的制備及電化學性能的研究”的設計及方案的提出、實驗數據處理、結果分析和討論培養學生實踐動手能力及綜合創新能力。

綜合化學實驗；創新能力；教學改革

多孔炭是一種多孔性含碳材料，具有發達的孔結構、巨大的比表面積被廣泛應用于環保、儲能等領域。制備多孔炭的原料主要為煤炭原料、石油原料等，成本較高，而農副產品具有一定的碳含量，廉價易得，是一類優良的多孔炭生產原料。因此本實驗即以價廉易得的玉米芯為原料、通過化學方法合成氮摻雜三位多孔炭，并將其用于超級電容器電極材料。

1.實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

試劑：玉米芯、KOH(分析純)、KHCO3(分析純)、尿素

儀器：分析天平、烘箱、馬弗爐、壓片機、數控超聲波清洗器、電化學工作站等。

1.2 氮摻雜三維多孔碳材料的制備

活化劑KHCO3和KOH質量比例為1:1氮摻雜三維多孔碳的制備過程如下：稱取質量為5g的玉米芯，按玉米芯、活化劑、尿素質量比（g/g/g）為1:4:2、1:4:3、1:4:4、1:5:3、1:3:3稱取相應的活化劑和尿素，加入蒸餾水，將玉米芯、活化劑和尿素在坩堝內混合均勻后浸漬14 h,隨后放入馬弗爐中升溫至800 ℃活化反應60 min后，將坩堝取出自然冷卻至室溫，用蒸餾水和稀鹽酸洗滌至中性，烘干后得產品。用于后續電化學性能測試。按照如上步驟，制備活化劑KHCO3和KOH質量比例為2:1，3:1得到產品。

1.3 電極材料的制備及電化學性能測試

將所得樣品:乙炔黑:聚四氟乙烯(60 % PTFE乳液)= 8:1:1的質量比混合，乙醇作為溶劑，超聲處理30 min后在烘干，壓成8-10個薄片，直徑為13 mm，質量約5 mg，然后壓在泡沫鎳的表面。電極片置于6 M KOH溶液浸泡24 h后組裝電池。測試前靜置24 h，測試電壓為0 -1 V，掃描速度為20～500 mV s-1進行循環伏安和充放電測試。

2.結果與討論

將測得的數據采用origin作圖進行結果分析，鍛煉學生軟件利用能力。

圖1 -1（a）玉米芯 :活化劑（KHCO3:KOH=1:1）:尿素=1:4:4的質量比得到樣品CV曲線（b）不同樣品比電容隨掃速變化曲線（KHCO3:KOH=1:1）

圖1-1（a）為玉米芯 :活化劑（KHCO3:KOH=1:1）:尿素=1:4:4得到產品的循環伏安曲線圖，掃速為500 mV/s時CV曲線保持良好的矩形，表明其雙電層電容特性較好。圖1-1（b）為不同原料質量比得到樣品的比電容隨掃速變化曲線。從圖中可以看出，質量比為1:4:4的碳材料組裝的電容器具有較大的比電容。在掃速為5 和500 mV/s時，其根據循環伏安曲線算出的比電容為184.48和128.1 F/g，容量保持率為69.4 %。因此活化劑質量比例為1:1時，原料質量比例1:4:4的產品具有相對更好的電化學性能。

圖1 -2（a）玉米芯:活化劑（KHCO3:KOH=2:1）:尿素=1:3:3的質量比得到樣品CV曲線（b）不同樣品比電容隨掃速變化曲線（KHCO3:KOH=2:1）

圖1-2（a）為玉米芯:活化劑（KHCO3:KOH=2:1）:尿素質量比1:3:3得到產品的循環伏安曲線圖。圖1-2（b）表示的是不同原料質量比例得到樣品的比電容隨掃速變化曲線，從圖中可以看出，質量比為1:3:3的碳材料具有較大的比電容。在掃速為5 和500 mV/s的比電容分別為214.8和143.3 F/g，容量保持率為66.7 %。因此活化劑質量比例為2:1時，原料質量比例1:3:3的樣品具有相對更好的電化學性能。

圖1 -3（a）玉米芯:活化劑（KHCO3:KOH=3:1）:尿素=1:3:3的質量比得到樣品CV曲線（b）不同樣品比電容隨掃速變化曲線（KHCO3:KOH=3:1）

圖1-3（a）為玉米芯 :活化劑（KHCO3:KOH=3:1）:尿素=1:3:3的樣品在不同掃速的循環伏安圖，掃速為5 和500 mV/s的比電容為127.9 和81.6 F/g，容量保持率為63.7 %。圖1-3（b）表示的是不同原料質量比例得到樣品的比電容隨掃速變化曲線，可以看出這組材料電化學性能相對較好的。綜上，活化劑質量比例為3:1時，原料質量比例1:3:3得到的樣品具有更好的電化學性能。

綜上，活化劑質量比例為2:1，原料質量比例1:3:3的產品具有更好的電化學性能，其在掃速為5 和500 mV/s時，由循環伏安測試計算出的比電容分別為214.8 和143.3 F/g，容量保持率為66.7 %。

圖1 -4（a）GCD曲線，（b）比電容隨電流密度變化圖

圖1-4（a）是玉米芯 :活化劑（KHCO3:KOH=2:1）:尿素=1:3:3質量比得到樣品的恒流充放電曲線，在電流密度為0.5 A/g時，比電容為138 F/g。圖1-4（b）該材料組裝的電容器比電容隨電流密度變化圖，隨著電流密度的增大，比電容逐漸變小。

3.結論

本實驗采用生物質玉米芯，制備出了具有一定比容量且性能穩定的超級電容器電極材料。電化學測試表明玉米芯、活化劑（KHCO3:KOH=2:1）、尿素質量比為1:3:3制備出的氮摻雜三維多孔碳材料組裝的電容器電化學性能較好。

4.結束語

通過此綜合實驗的設計及完成充分鍛煉了學生動手實踐能力、分析、總結問題能力，同時學習了origin繪圖軟件的使用方法，對學生綜合能力的提高具有重要作用。