N、P共摻雜多孔炭纖維的制備及電容性能研究

曲玉寧 劉林 熊媛媛（天津工業大學化學與化工學院，天津300387）

0 引言

超級電容器因其具有功率密度高、能量密度高、循環壽命長、環保無污染等優點，在電化學儲能領域擁有廣闊的應用前景以及商業價值。電容器的核心是電極材料，主要以碳材料為主，包括活性炭、石墨烯、碳納米管、碳納米纖維、碳氣凝膠等。近年來，生物質基碳材料因為其材料環境友好，來源廣等引起了人們的廣泛關注[1]。

為了提高多孔炭材料的導電性和潤濕性，常常采用雜原子共摻雜的方式，雜原子摻雜到碳材料中后，常常會引起表面電子結構發生變化，能有效提高碳材料的電化學性能，常見的共摻雜的雜原子有N、P、S、B 等。利用雙原子或多原子能夠產生雙官能團或雙原子的協同作用，顯著提高材料的導電性，達到使贗電容增強的目的。Liu 等[2]以生物質香蒲葉為原材料制備N、P 共摻雜的多孔碳材料，比電容達到257 F/g，能量密度為19 Wh/kg。Xu等[3]以柚子皮為原材料制備N,P共摻雜含有大量介孔和微孔的碳材料，結果顯示比電容高，內阻低，性能良好，主要是因為兩種雜原子摻雜使材料內部產生大量的介孔和微孔，增加比表面積和離子接觸位點，使得離子能更有效地傳輸。

文章以磷酸二氫銨處理過的棉花為碳源和前驅體，氫氧化鉀作活化劑，通過兩步炭化法制備超級電容器的碳極材料。所得電極材料在電解質中表現出良好的儲能性能，該方法為從生物質中制備N、P共摻雜的多孔碳纖維提供了新方法，在儲能和吸附領域有良好的應用前景。

1 實驗部分

稱取棉花和磷酸二氫銨，質量比為1：2，溶于50mL 去離子水中，浸泡24 h 之后烘干。在管式爐里N2氣氛下800 ℃反應1.5 h，待樣品冷卻至室溫后，浸泡在2M 的鹽酸溶液6 h，然后洗至中性烘干，即制備N,P 共摻雜的碳纖維，樣品命名為N,P-CF-1：2。N,P-CF-1：2與2M 的KOH 以1：4、1：5、1：6、1：7的質量比進行混合，浸泡24h 后烘干然后在馬弗爐中N2氣氛下800℃的反應1.5 h，冷卻至室溫后2M 的鹽酸充分浸泡，洗至中心烘干，即得N,P 共摻雜的多孔炭纖維，樣品命名N,P-CF-1：2-K（K 代表的是KOH 和第一步炭化的樣品的質量）。

2 結果與討論

圖1 N,P-CF-1:2-5 的CV曲線

圖2 N,P-CF-1:2-5的充放電曲線

圖1 a、b、c、d分別為N,P-CF-1：2-K 與KOH 的質量比分別為1：4、1：5、1：6、1：7、時電極材料的循環伏安曲線，從圖中可以看出，該電極材料都能保持比較對稱的矩形形狀，隨著掃描速率從5mv/s增加到500 mv/s，電極材料都沒有出現明顯的氧化還原峰，這充分說明這類電極在不同的掃描速率下，電容性能比較優異。并且，在掃描速率高達500mv/s時，仍能發現具有對稱的矩形形狀，證明了其優異的雙電層性能，在高掃速下仍然具有良好的離子傳輸能力，能夠在較短的時間內，確保離子能夠傳輸到達樣品的微觀結構中。

圖2 a、b、c、d分別是樣品N,P-CF-1：2-K 與KOH 質量比為1：4、1：5、1：6、1：7 時電極材料的充放電圖像，可以看出，該曲線呈現很明顯的三角形形狀，上升部分表示充電過程，電壓隨著時間的增加而增大；而后半段為放電部分，電壓隨著時間的增加而減小，充分說明孩材料是典型的雙電層電容，具有良好的可逆性能。在相同的電流密度下，N,PCF-1：2-5 在1A/g 時的比電容最大，為511.2 F/g，證明該條件下的電極材料擁有有最優的性能。

3 結語

本實驗以棉花為原料，通過磷酸二氫銨碳化以及KOH 活化制備出了N,P 摻雜多孔碳材料。實驗結果表明通過CV 和CP 電化學測試，隨著N 和P 摻雜的含量的提高，比電容隨之增大，N,P-CF-1：2-5 在電流密度為1A/g時的比電容最大，為511.2 F/g，說明N,P摻雜中空碳纖維作為超級電容器的電極材料有其卓越的電容性能。

為本項目的完成，特向天津工業大學大學生創新創業訓練計劃項目致謝！