源于柚皮的生物质碳材料在超级电容器中的应用
2019-10-23周佳祺刘景海段莉梅
周佳祺，吉 磊，高 爽，刘景海，段莉梅
(内蒙古民族大学 化学化工学院 纳米创新研究院，内蒙古 通辽 028000)
由于石油、煤等资源的日益短缺，以及汽车、工厂尾气排放量的日益加重，人们开始研究一些可以代替内燃机的其他新型储能装置。超级电容器也被称为双电层电容器[1]，是一种新型的储能装置。它具有使用寿命长、充电时间短、节约资源、电化学性能稳定、环保和温度特性良好等特点。超级电容器在实际生产和生活中具有广泛的用途，在机动车辆中可以作为能够提供超级大电流电力的起重装置的电力平衡电源和启动电源，其启动效率高，可以部分或全部的代替传统的超级电容器在机动车辆中的应用。
目前科研人员采用农林废弃物、果皮等多种生物质来制备生物质碳材料。例如，郑等[2]采用玉米秸秆作为生物质材料，制备的玉米秸秆多孔碳作为超级电容器的电极材料，研究其电化学性能；Wang等[3]用莴笋叶子作为生物质材料，制备出了多孔的活性生物质碳材料，并将其用作超级电容器的电极材料。此外，还有研究采用杨絮、树木、废旧纸张等[4]生物质作为碳前驱体来制备多孔生物质碳材料。生物质碳材料的制备过程一般是以生物衍生物或天然生物质材料(等)作为碳的前驱体，通过简单的物理、化学活化法或者是在N2的氛围中进行高温碳化活化来制得多孔生物质碳材料[5]。
1 实验部分
1.1 实验药品和仪器
表1 实验药品
表2 实验仪器
1.2 柚子皮碳材料的制备和电极的制作
首先清洗柚子皮除去多余的杂质，再将预处理的柚子皮烘干，放入管式炉中，调节温度到1100℃，在N2氛围中恒温1 h得到柚子皮碳材料。
取两片大小相同的泡沫镍备用，用分析天平准确称取1 mg该材料，放入泡沫镍的夹层中，用压片机压片，压好后放入干燥箱中干燥3 h。再取两片大小相同的碳布，向两片碳布上均匀涂抹适量纤维素粘合剂，准确称取1 mg该材料，将其放入碳布夹层中，用手指按压使其黏结后放入干燥箱中干燥3 h。
1.3 电化学性能测试
使用电化学工作站在三电极体系下，分别在1 mol/L Na2SO4、1 mol/L H2SO4和6 mol/L KOH电解液中测试柚子皮碳材料电极片的恒电流充放电曲线(CP)、循环伏安曲线(CV)和电化学阻抗曲线(IMP)。
2 结果与讨论
图1 材料的SEM图Fig.1 SEM image of material
图1为柚子皮碳材料的扫描电镜图，可以看出该材料具有均匀的多孔结构，可以为电解液离子的快速传输提供通道[6]。通过半导体粉末电阻率测试仪测试结果证实，材料的电导率为69.25 S/cm，明显高于文献中商品活性炭的0.57 S/cm。
图2 材料在1 mol/L Na2SO4电解液中的CV曲线Fig.2 The CV curves of the material in 1 mol/L Na2SO4 electrolyte
图3 材料在1 mol/L H2SO4电解液中的CV曲线Fig.3 The CV curves of the material in 1 mol/L H2SO4 electrolyte
图4 材料在6 mol/L KOH电解液中的CV曲线Fig.4 The CV curves of the material in 6 mol/L KOH electrolyte
如图2～4所示，选择不同的扫描速率对不同电解液中的材料进行CV测试，可以看出所有的曲线都呈现出类矩形形状，具有典型的双电层电容性能。但是在高的扫描速率或在1 mol/L Na2SO4电解液情况下，矩形有一定的变形，这是因为在1 mol/L Na2SO4电解液和高的扫描速率下，离子扩散有一定的延迟[7]。
图5～7为在不同电流密度下对不同电解液中的材料进行CP的测试，可以看出所有曲线为近似等腰三角形，表明该材料具有良好的电容特性，能够快速充放电。
图5 材料在1 mol/L Na2SO4电解液中的CP曲线Fig.5 The CP curves of the material in 1 mol/L Na2SO4 electrolyte
图6 材料在1 mol/L H2SO4电解液中的CP曲线Fig.6 The CP curves of the material in 1 mol/L H2SO4 electrolyte
图7 材料在6 mol/L KOH电解液中的CP曲线Fig.7 The CP curves of the material in 6 mol/L KOH electrolyte 表3 材料在相同电流密度下不同电解液中比容量的比较 Tab.3 Comparison of specific capacity of material in different electrolytes at the same current density
电流密度/(A/g)电解液放电时间/s 比容量/(F/g)0.5KOH75.437.7Na2SO43.8971.9485H2SO43.5491.77451KOH17.8717.87Na2SO41.3581.358H2SO41.5321.5322KOH6.4212.84Na2SO40.50921.0184H2SO40.67881.35765KOH1.8999.495Na2SO40.14880.744H2SO40.23141.157510KOH0.7977.97Na2SO40.060410.6041H2SO40.10131.013
根据表3可得:在不同电流密度下，该材料在KOH电解液中的比容量最大，其中当电流密度为0.5 A/g时，该材料的比容量为37.7 F/g。由此可得，以该材料作为超级电容器的电极材料在KOH电解液中有很好的电化学性能和较高的稳定性。
分别将材料在不同电解液中进行IMP测试，电化学阻抗曲线下端的半圆点与横轴的交点为工作电极表面和电解液的接触电阻。由图8可得，该材料在6 mol/L KOH电解液中表现出材料相对较好的电子转移能力。
图8 材料的电化学阻抗曲线Fig.8 IMP curves of material
3 结论
本论文以柚子皮作为碳源，在N2的氛围下进行高温碳化来制备柚子皮碳材料，以该材料作为超级电容器的电极材料来测定其在不同电解液中的电化学性能。
(1)在不同的电解液中材料的恒电流充放电曲线测试表明该材料在6 mol/L KOH电解液中的比容量最大，具有较高的稳定性。
(2)在不同的电解液中材料的电化学交流阻抗曲线测试可得该材料在6 mol/L KOH电解液中表现出材料相对较好的电子转移能力。
(3)在不同电解液中材料的CV测试表明该材料在1 mol/L Na2SO4电解液中举行的变形程度最大，具有较低的双电层电容性能。
