一种简易活化碳纸的方法及其在超级电容器上的应用

冯靖　李芷菁　麦春强　郑泽翔　梁建东　苏奎　黄卫清　程志毓

(东莞理工学院　生态环境与建筑工程学院，广东东莞　523808)



一种简易活化碳纸的方法及其在超级电容器上的应用

冯靖李芷菁麦春强郑泽翔梁建东苏奎黄卫清程志毓*

(东莞理工学院生态环境与建筑工程学院，广东东莞523808)

首次报道了一种普通碳纸的简易活化方法，活化后的碳纸作为超级电容器正极材料使用可以显著提高其电化学电容性能。该方法首次采用重铬酸钾洗液处理普通碳纸，改变了其表面拓扑结构。通过SEM观察，发现活化碳纸表面变得粗糙，比表面积明显增大；另一方面对活化碳纸进行接触角测试，接触角明显减小表明表面亲水性提高。比表面积增大和亲水性增加的协同作用使得活化碳纸构筑的超级电容器展示出优异的电容特性。该方法也有望拓展到超级电容器用其他碳基材料上。

超级电容器；活化碳纸；重铬酸钾；分布电容

超级电容器因为高功率密度、卓越的稳定性、易操控性等特点作为一种非常有潜力的储能装置在近几年备受人们广泛关注[1-6]。电极材料的选择对提高超级电容器性能尤为关键，它决定着超级电容器的主要性能指标。各种不同形态的碳基材料，特别是大比表面积的碳纳米管和石墨烯，常被用来作为超级电容器的电极材料。与碳纳米管和石墨烯相比，普通碳纸具有低成本优势，也被广泛用来作为超级电容器电极材料使用[7]。因为普通碳纸的比表面积小，其构筑的超级电容器比电容值较低。本文提出了一种简易有效的方法来提高碳纸的比表面积和亲水性，从而增加了电化学电容性能。

1　实验部分

活化碳纸(ACP)的制备：将普通碳纸CP(吉兴胜安公司产品，密度31 mg/cm2)裁剪成1.0 cm×5.0 cm的样品，浸泡于重铬酸钾的硫酸溶液(3 g重铬酸钾缓慢加入至30 mL浓硫酸中)10 min后取出，用蒸馏水冲洗多次，在150 °C加热2 h进行干燥处理，获得活化碳纸ACP。

表征方法：所制备的样品形貌分析通过配备有INCA PENTAX ETx3 X射线能谱仪(EDS)检测器的JEOL6701F扫描电子显微镜(SEM)表征；接触角通过德国Dataphysics OCA20表面张力计(25 °C)测试；采用CHI 440a电化学工作站进行循环伏安法(CV)和恒流充放电测试，具体测试条件为：采用三电极系统，1.0 M Na2SO4作电解质，CP或者ACP(浸入面积1.0 cm2)作为工作电极，Ag / AgCl(3.0 M KCl)和Pt丝分别作为参比和对电极。

2　结果与讨论

2.1微观形貌和润湿性

为了观察碳纸的微观形貌，对普通碳纸CP和活化碳纸ACP进行扫描电镜观察，如图1所示。未经处理的CP表面平整光滑。重铬酸钾洗液活化后，ACP的表面变得粗糙，比表面积增大。样品的润湿性采用水接触角测试进行表征，一般来说,如果水接触角小于90°，表明样品表面为亲水性。图2中ACP的接触角为70.2±0.5°小于CP的117.0±0.5°，表明重铬酸钾洗液处理后的碳纸，其表面亲水性明显提高。这可能归因于亲水性基团如羟基(―OH)，羰基(>C=O)和羧基(―COOH)在碳纸表面的引入，并且它们作为极性位点吸附水分子[8]。

图2　水滴上的横截面视图 (A) CP；(B) ACP

2.2循环伏安法(CV)和恒流充放电测试

图3　(A)ACP在不同扫描速率下的CV图；(B)CP和ACP的分布电容对扫描速率的依赖性；(C)扫描速率为10 mV/s时CP和ACP的CV图；(D)扫描速率为10 mV/s时CP和ACP的分布电容值对比图

图4　(A)在不同电流密度下ACP的恒流充放电曲线；(B)ACP分布电容对电流密度的依赖性

图5　电流密度为10 mA/cm2时ACP电容保持率对循环次数的依赖性

3　结语

本文首次报道了重铬酸钾洗液活化普通碳纸，活化后的碳纸作为超级电容器正极材料使用可以显著提高其电化学电容性能。活化碳纸表面变得粗糙，比表面积明显增大；活化碳纸表面亲水性明显提高。大的比表面积和良好的亲水性的协同作用使得活化碳纸构筑的超级电容器展示出优异的电容特性。另一方面活化碳纸构筑的超级电容器快速充放电2 000次，分布电容仅衰减4 %。该方法也有望拓展到超级电容器用其他碳基材料上。

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Preparation of Activated Carbon Paper Through a Facile Method and Application as Supercapacitor

FENG JingLI ZhijingMAI ChunqiangZHENG ZexiangLIANG JiandongSU KuiHUANG WeiqingCHENG Zhiyu

(College of Environment and Civil Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China)

In this paper, a facile method by potassium dichromate lotion to activate surfaces of Carbon Papers (CP) leading to enhanced electrochemical capacitances was reported. It is shown that surfaces of Activated Carbon Papers (ACP) became rougher and their specific surface areas enlarged after treatment. Furthermore, surface hydrophilicity of the treated carbon papers enhanced. With the synergistic effect of enlarged specific surface area and enhanced surface hydrophilicity, the ACP provides high areal capacitances.

supercapacitor；Activated Carbon Paper；potassium dichromate；areal capacitance

2016-08-29

东莞理工学院大学生创新创业训练计划立项项目(201511819031；201511819034；201611819158)。

冯靖(1992—)，男，广东高州人，主要从事超级电容器正极材料的研究。

程志毓(1980—)，男，湖北荆州人，副研究员，博士，主要从事储能材料的研究。

O646.54

A

1009-0312(2016)05-0067-04