劉蘭蘭

許多實驗室工程納米材料迄今還不能作為超級電容器電極的合適替代材料。但是，答案也許就在離你最近的煙灰缸里。就是這樣，備受鄙視的煙頭事實上就提供了解決方案。韓國首爾國立大學的一組研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)廢棄煙頭的組成材料的儲能性能要優(yōu)于碳、石墨烯和碳納米管。

研究人員在《納米技術》期刊上發(fā)表了其研究成果，他們采用的是廢棄香煙過濾嘴，并發(fā)現(xiàn)含氮氣氛下，有可能轉化成本身具有微孔結構的多孔碳材料，非常適合超級電容器電極的儲能。超級電容器，也被稱為電化學雙層電容器(EDLCs)，能夠儲存的能量與電化學電池（例如鋰離子電池）相當，可在幾秒鐘的時間內(nèi)完成充電，并具有較高功率密度，能夠進行大能量的快速脈沖。目前，利用超級電容器此功能的應用如起重機或公共汽車。

用煙頭制備超級電容器最吸引人的方面或許是廢棄過濾嘴的來源看似是無窮的。據(jù)該研究發(fā)布的新聞稿，估計每年有56000億或766571噸廢棄香煙被丟棄。如果可以利用煙頭制備超級電容器電極，這樣就能完全耗盡廢棄的煙頭，為人們找到一種消除已發(fā)現(xiàn)煙頭帶來的危害的方式。

首爾國立大學的Jongheop Yi教授，也是該研究的作者，在新聞發(fā)布會上說：“我們的研究表明通過簡單的一步處理方法可以將廢棄香煙過濾嘴轉化為高性能碳基材料，同時為滿足社會的能源需求提供了一種綠色解決方案，許多國家正在制定嚴格的規(guī)定以避免每年丟棄到環(huán)境中的數(shù)萬億有毒的不可生物降解的二手香煙過濾嘴，我們的方法是實現(xiàn)這一目標的一種方式?！?/p>

這種新材料具有超級電容器電極存儲材料應有的理想關鍵特性。它具有較大的表面積，但也許更重要的是，該材料孔徑分布較好，這使得它能夠利用大量的電解離子，并且具有快速的離子傳遞遷移性。該材料優(yōu)于石墨烯，由于石墨烯的離子傳遞遷移性對超級電容器電極看似非常有吸引力，但在表面積方面卻比不上活性炭。

Yi在新聞稿中說：“一種高性能的超級電容器材料應具有很大的表面積，可以通過使材料含有大量小孔來實現(xiàn)，不同孔徑的組合確保該材料具有較高的功率密度，這是實現(xiàn)超級電容器快速充電和放電的基本屬性?！毖芯咳藛T報告的一步法為通過在含氮氣氛下對廢棄香煙過濾嘴進行熱處理制備氮摻雜介孔/微孔復合碳材料（NCF），圖1是廢棄香煙過濾嘴熱分解法制備NCF的制備過程簡圖。廢棄香煙過濾嘴主要由纖維素乙酸酯纖維構成，可以轉化為同時包含介孔和微孔的多孔碳材料。該獨特的自主研發(fā)的孔結構為電解質滲透和接觸機率提供了有利途徑，從而提高超級電容器的倍率性能。NCF在1 A/g表現(xiàn)出了較好的倍率性能，相比于傳統(tǒng)的活性炭（125.0 F/g）也具有較高的比電容（153.8 F/g）。這些結果表明生長良好的介孔/微孔、增大的表面積和贗電容性的協(xié)同組合會促成期望的超級電容性能。所制備的碳材料能夠在充電和放電測量所需的6000次循環(huán)過程中重現(xiàn)其電化學性能。

圖1 廢棄香煙過濾嘴熱分解法制備NCF的制備過程簡圖

由于活性炭粒子共存于作為Marlboro Light Gold和The One Orange吸附劑的全部過濾嘴的一半，所以只使用了過濾嘴的另一半，以便排除預載活性炭的影響，從而保證電極材料的精確表征。CF和NCF是由過濾嘴分別在Ar和NH3氣氛下900℃制備2 h而成的。加熱速率控制在5℃/min。每個品牌相等數(shù)量的過濾嘴用于制備這種材料。在碳化處理前，沒有對香煙過濾嘴進行預處理，以便盡量減少制造步驟和超級電容器電極的生產(chǎn)成本。制備了香煙過濾嘴原質量1/8～1/10質量比的CF和NCF。MSP-20作為活性炭（AC）。通過凝膠-水熱法合成無修飾的TiO2，并且在與NCF相同的條件下，通過對無修飾的TiO2進行后處理合成氮摻雜的TiO2。

使用高分辨率的透射電子顯微鏡（HR-TEM，JEOL，JEM-3010） 和掃描電子顯微鏡 （SEM，Carl Zeiss，SUPRA 55VP）表征CF的表面形貌。用X射線光電子光譜法（XPS，Kratos，AXIS-HSI） 來研究所制備樣品的元素種類和結合狀態(tài)。用X射線衍射儀（XRD，Rigaku，D/max-2500/PC）來確定復合材料的結晶和元素結構，以Cu Kα 衍射（波長=0.154 nm）作為輻射源，入射光束電壓為50 kV、電流為100 mA。用Micromeritics ASAP 2010儀測量N2吸附脫附等溫線。用布魯諾爾-埃米特-特勒（BET）法計算比表面積。用巴雷特-喬伊涅-海德林（BJH）法從等溫線脫附分支得出孔體積和孔徑分布。在空氣中，10℃/min加熱速率條件下，基于從熱重分析儀(TGA,Versa Therm,Thermo Scientific)獲得的數(shù)據(jù)計算雜質的質量比。用 C、H、N、S分析儀（CHNS 932，LECO）確定NCF中氮的含量。用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES,Shimadzu,JP/ICPS-7500）進行體相元素分析。圖2為NCF和廢棄香煙過濾嘴的照片、SEM和HR-TEM圖。使用了標準三電極體系，即KCl、飽和Ag/AgCl為參比電極和鉑電極。將活性材料（NCF、CF和AC）與作為粘合劑和碳添加劑（ketjenblack ECP-600JD,KB）的聚四氟乙烯（PTFE，Aldrich） 混合，混合質量比為8∶1∶1。將混合物涂覆在1 cm×1 cm的泡沫鎳上，作為集流體。包覆電極材料后，工作電極在120℃真空條件下被施壓并干燥12 h。

圖2 NCF和廢棄香煙過濾嘴的照片、SEM和HR-TEM圖

室溫下，在6.0 mol/L KOH電解液中進行了分析。在電化學工作站進行循環(huán)伏安法（CV）和恒流充放電測量。在電壓變化范圍為-0.8～0 V、掃描速率為5～100 mV/s的條件下記錄了循環(huán)伏安曲線。通過改變電流密度（1.0～10 A/g）與電位窗口（-0.8～0 V）進行恒電流充放電測試。在電化學工作站上進行了電化學阻抗譜（EIS） 的測量。阻抗譜的頻率范圍為20 mHz～200 kHz，施加的電勢為-0.4 V，交流幅值為10 mV。

采用一步法用廢棄香煙過濾嘴合成了氮摻雜的介孔/微孔復合碳材料。電化學測量結果表明，NCF和CF的孔結構特征可以保證有效的離子遷移。此外，也表明了氮摻雜NCF的結果即電解質離子和氮摻雜劑之間的贗電容反應提高了比電容。因此，研究人員得出的結論是對于香煙過濾嘴制備的超級電容器電極的進一步研究在商用電器設備領域是必要的，并且可以減輕環(huán)境負擔。