源于柚皮的生物質碳材料在超級電容器中的應用

周佳祺，吉 磊，高 爽，劉景海，段莉梅

(內蒙古民族大學 化學化工學院 納米創新研究院，內蒙古 通遼 028000)

由于石油、煤等資源的日益短缺，以及汽車、工廠尾氣排放量的日益加重，人們開始研究一些可以代替內燃機的其他新型儲能裝置。超級電容器也被稱為雙電層電容器[1]，是一種新型的儲能裝置。它具有使用壽命長、充電時間短、節約資源、電化學性能穩定、環保和溫度特性良好等特點。超級電容器在實際生產和生活中具有廣泛的用途，在機動車輛中可以作為能夠提供超級大電流電力的起重裝置的電力平衡電源和啟動電源，其啟動效率高，可以部分或全部的代替傳統的超級電容器在機動車輛中的應用。

目前科研人員采用農林廢棄物、果皮等多種生物質來制備生物質碳材料。例如，鄭等[2]采用玉米秸稈作為生物質材料，制備的玉米秸稈多孔碳作為超級電容器的電極材料，研究其電化學性能；Wang等[3]用萵筍葉子作為生物質材料，制備出了多孔的活性生物質碳材料，并將其用作超級電容器的電極材料。此外，還有研究采用楊絮、樹木、廢舊紙張等[4]生物質作為碳前驅體來制備多孔生物質碳材料。生物質碳材料的制備過程一般是以生物衍生物或天然生物質材料(等)作為碳的前驅體，通過簡單的物理、化學活化法或者是在N2的氛圍中進行高溫碳化活化來制得多孔生物質碳材料[5]。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品和儀器

表1 實驗藥品

表2 實驗儀器

1.2 柚子皮碳材料的制備和電極的制作

首先清洗柚子皮除去多余的雜質，再將預處理的柚子皮烘干，放入管式爐中，調節溫度到1100℃，在N2氛圍中恒溫1 h得到柚子皮碳材料。

取兩片大小相同的泡沫鎳備用，用分析天平準確稱取1 mg該材料，放入泡沫鎳的夾層中，用壓片機壓片，壓好后放入干燥箱中干燥3 h。再取兩片大小相同的碳布，向兩片碳布上均勻涂抹適量纖維素粘合劑，準確稱取1 mg該材料，將其放入碳布夾層中，用手指按壓使其黏結后放入干燥箱中干燥3 h。

1.3 電化學性能測試

使用電化學工作站在三電極體系下，分別在1 mol/L Na2SO4、1 mol/L H2SO4和6 mol/L KOH電解液中測試柚子皮碳材料電極片的恒電流充放電曲線(CP)、循環伏安曲線(CV)和電化學阻抗曲線(IMP)。

2 結果與討論

圖1 材料的SEM圖Fig.1 SEM image of material

圖1為柚子皮碳材料的掃描電鏡圖，可以看出該材料具有均勻的多孔結構，可以為電解液離子的快速傳輸提供通道[6]。通過半導體粉末電阻率測試儀測試結果證實，材料的電導率為69.25 S/cm，明顯高于文獻中商品活性炭的0.57 S/cm。

圖2 材料在1 mol/L Na2SO4電解液中的CV曲線Fig.2 The CV curves of the material in 1 mol/L Na2SO4 electrolyte

圖3 材料在1 mol/L H2SO4電解液中的CV曲線Fig.3 The CV curves of the material in 1 mol/L H2SO4 electrolyte

圖4 材料在6 mol/L KOH電解液中的CV曲線Fig.4 The CV curves of the material in 6 mol/L KOH electrolyte

如圖2～4所示，選擇不同的掃描速率對不同電解液中的材料進行CV測試，可以看出所有的曲線都呈現出類矩形形狀，具有典型的雙電層電容性能。但是在高的掃描速率或在1 mol/L Na2SO4電解液情況下，矩形有一定的變形，這是因為在1 mol/L Na2SO4電解液和高的掃描速率下，離子擴散有一定的延遲[7]。

圖5～7為在不同電流密度下對不同電解液中的材料進行CP的測試，可以看出所有曲線為近似等腰三角形，表明該材料具有良好的電容特性，能夠快速充放電。

圖5 材料在1 mol/L Na2SO4電解液中的CP曲線Fig.5 The CP curves of the material in 1 mol/L Na2SO4 electrolyte

圖6 材料在1 mol/L H2SO4電解液中的CP曲線Fig.6 The CP curves of the material in 1 mol/L H2SO4 electrolyte

圖7 材料在6 mol/L KOH電解液中的CP曲線Fig.7 The CP curves of the material in 6 mol/L KOH electrolyte 表3 材料在相同電流密度下不同電解液中比容量的比較 Tab.3 Comparison of specific capacity of material in different electrolytes at the same current density

電流密度/(A/g)電解液放電時間/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

根據表3可得:在不同電流密度下，該材料在KOH電解液中的比容量最大，其中當電流密度為0.5 A/g時，該材料的比容量為37.7 F/g。由此可得，以該材料作為超級電容器的電極材料在KOH電解液中有很好的電化學性能和較高的穩定性。

分別將材料在不同電解液中進行IMP測試，電化學阻抗曲線下端的半圓點與橫軸的交點為工作電極表面和電解液的接觸電阻。由圖8可得，該材料在6 mol/L KOH電解液中表現出材料相對較好的電子轉移能力。

圖8 材料的電化學阻抗曲線Fig.8 IMP curves of material

3 結論

本論文以柚子皮作為碳源，在N2的氛圍下進行高溫碳化來制備柚子皮碳材料，以該材料作為超級電容器的電極材料來測定其在不同電解液中的電化學性能。

(1)在不同的電解液中材料的恒電流充放電曲線測試表明該材料在6 mol/L KOH電解液中的比容量最大，具有較高的穩定性。

(2)在不同的電解液中材料的電化學交流阻抗曲線測試可得該材料在6 mol/L KOH電解液中表現出材料相對較好的電子轉移能力。

(3)在不同電解液中材料的CV測試表明該材料在1 mol/L Na2SO4電解液中舉行的變形程度最大，具有較低的雙電層電容性能。