可再生纖維素制備超級電容器電極研究

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）

本文以廉價的纖維素生物質(zhì)材料為原料，通過KOH模板和活化對其進(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電容器電極材料并探究了碳化活化條件對其形貌影響及其不同條件下得到材料電化學(xué)性能。

超級電容器，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最有效的辦法。能源的有效存儲是實(shí)現(xiàn)解決能源危機(jī)的關(guān)鍵性的步驟。

超級電容器又名電化學(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算定律來講，比表面積越大，電極材料的比容量會越大，但據(jù)我們了解兩者并不僅僅存在簡單的正比關(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電容器電極材料。用場發(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試此炭電極材料的電容性能。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及其設(shè)備

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

?

纖維素經(jīng)鼓風(fēng)烘箱干燥后，用粉碎機(jī)粉碎過塞子后取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)鈿夥障拢?℃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，水洗洗滌過濾后，真空烘箱放置8h左右烘干。樣品標(biāo)號為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

雙電層電容是超級電容器儲能的機(jī)理。一般來說，多孔炭的比表面與超級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)出無規(guī)則的顆粒的形狀。升高溫度至900度，過高的溫度會活化過度，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，說明在充放電過程中沒有發(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 不同種類樹脂對廢水的吸附效果圖1 a)20mv/s各個樣品的循環(huán)伏安曲線 b)1A/g各個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。通過恒電流充放電、循環(huán)伏安等一系列實(shí)驗(yàn)的測定和分析，表明由該800度活化材料制備的超級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