可再生纤维素制备超级电容器电极研究

王 骜

（北京市第十四中学 北京 100000）

可再生纤维素制备超级电容器电极研究

王 骜

（北京市第十四中学 北京 100000）

本文以廉价的纤维素生物质材料为原料，通过KOH模板和活化对其进行改性，得到了性能优异的蜂窝状多孔碳材料作为超级电容器电极材料并探究了碳化活化条件对其形貌影响及其不同条件下得到材料电化学性能。

超级电容器，多孔碳，纤维素，比容量

引言

随着化石燃料的快速消耗和环境污染的急剧恶化，高效率的能源利用和开发高效可再生能源是根本解决能源紧缺问题两个最有效的办法。能源的有效存储是实现解决能源危机的关键性的步骤。

超级电容器又名电化学电容器，能量密度是位于锂电池和典型电容器之间能迅速充放电、基于电极材料与电解液界面的离子吸附储能元件。在电化学电容器的研究工作，电极材料是研究的热点方向。多孔炭由于其广泛应用于电化学电容器电极材料而越来越受到研究者的关注。蜂窝活性炭是最典型的三维炭材料，也是目前商业化最成功、应用最广泛的电极材料。蜂窝活性炭活性炭拥有非常高的比表面积（最高可达 3000 m2/g），可控的孔隙率和孔径分布，有利于与电解液相接触，从而具有较高的双电层电容。根据双电层电容理论的计算定律来讲，比表面积越大，电极材料的比容量会越大，但据我们了解两者并不仅仅存在简单的正比关系。

本文采用KOH、尿素与纤维素混合，高温碳化上述混合物得到蜂窝状多孔炭，并将此炭料用于制备超级电容器电极材料。用场发射扫描电镜（SEM）观察纤维素活性炭的结构和形貌特征；比表面积用静态氮气吸脱附仪器表征。用循环伏安法和恒流充放电法测试此炭电极材料的电容性能。

1 实验过程

1.1 实验试剂及其设备

1.2 实验过程

?

纤维素经鼓风烘箱干燥后，用粉碎机粉碎过塞子后取180目筛下料碳化的原料。按10g纤维素与8gKOH，2g尿素比例称取研磨好的纤维素、KOH与尿素在100ml去离子水中混合均匀，在80摄氏度下搅拌至水分挥发完毕。干燥的混合物在炭化炉中加热中，在氮气气氛下，以5℃每分钟速度至设定温度保温1后自然冷却至室温。取出产物，水洗洗涤过滤后，真空烘箱放置8h左右烘干。样品标号为AXWS-700,800,900.非活化样品是直接800度碳化得到标记为XWS-800。

2 结果与讨论

双电层电容是超级电容器储能的机理。一般来说，多孔炭的比表面与超级电容器的电容量是呈正相关关系的，面积越大容量越大。很多制备因素影响多孔炭材料的比表面积。本研究在原料粒度为180目、炭化活化温度700、800、900℃、保温时间为1h的条件下，观察了不同的温度条件下得到的活性炭的形貌.在800度下可以得到较为完美的蜂窝状结构，大孔蜂窝结构可以提供大的比表面积与孔体积，又可以为电解液的输送提供通道，是理想的超级电容器电极材料。在700度下，由于温度较低，KOH不能完全活化纤维素导致材料不能形成连续的蜂窝状，只是表现出无规则的颗粒的形状。升高温度至900度，过高的温度会活化过度，破坏蜂窝状结构，非常不利于电解质离子的传输。

下表显示，当温度增加到900以后，多孔炭材料的比表面积没有大幅度的增加。综合以上因素，我们选定原料的活化温度是800摄氏度。

表1 样品比表面积、孔体积数据

图1a是各个样品电容器电极的循环充放电曲线。图中可以看出，循环曲线没有明显的氧化还原鼓包峰，说明在充放电过程中没有发生氧化还原化学反应，电解液离子在电极/电解液界面形成了的很好的双电层电容，电极反应主要为双电层上的电荷转移反应。图1 b显示，放电曲线的电压降极小，这表明溶液的离子的导电性和电极/电解液的接触均良好，电阻较小，导电率良好。

图3.1-1 不同种类树脂对废水的吸附效果图1 a)20mv/s各个样品的循环伏安曲线 b)1A/g各个样品的恒流充放电曲线c）AXWS-800样品循环伏安曲线d）不同电流密度下比电容

结论

本文采用KOH和尿素先后对纤维素进行活化和氮化处理，形成了适宜的三维蜂窝状结构，表面氮化处理是为了在活性炭表面引入含氮官能团，从而使其与电解液离子亲水性结合，以增强炭材料与电解液的界面融合；800度活化样品由于三维连续蜂窝状结构使其表现出最优的电容性能和倍率性能。通过恒电流充放电、循环伏安等一系列实验的测定和分析，表明由该800度活化材料制备的超级电容器具有良好的电化学性能，适合较大功率充放电。

[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