王麗麗 余建國(guó) 曲玉寧 安會(huì)琴 嚴(yán) 峰 / 天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院

綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)
——氮摻雜生物質(zhì)基三維多孔碳材料的制備及電化學(xué)性能的研究

王麗麗 余建國(guó) 曲玉寧 安會(huì)琴 嚴(yán) 峰 / 天津工業(yè)大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院

隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)創(chuàng)新型人才的需求，高校教育必須與時(shí)俱進(jìn)，以適應(yīng)時(shí)代發(fā)展。綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為工科專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的提高本科生創(chuàng)新能力的實(shí)驗(yàn)課之一，如何設(shè)計(jì)創(chuàng)新性、貼近生活的化學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)提高教學(xué)效果、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、分析、解決、總結(jié)問(wèn)題的能力具有重要作用。本文通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)“氮摻雜生物質(zhì)基三維多孔碳材料的制備及電化學(xué)性能的研究”的設(shè)計(jì)及方案的提出、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析和討論培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力及綜合創(chuàng)新能力。

綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新能力；教學(xué)改革

多孔炭是一種多孔性含碳材料，具有發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積被廣泛應(yīng)用于環(huán)保、儲(chǔ)能等領(lǐng)域。制備多孔炭的原料主要為煤炭原料、石油原料等，成本較高，而農(nóng)副產(chǎn)品具有一定的碳含量，廉價(jià)易得，是一類(lèi)優(yōu)良的多孔炭生產(chǎn)原料。因此本實(shí)驗(yàn)即以?xún)r(jià)廉易得的玉米芯為原料、通過(guò)化學(xué)方法合成氮摻雜三位多孔炭，并將其用于超級(jí)電容器電極材料。

1.實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要試劑與儀器

試劑：玉米芯、KOH(分析純)、KHCO3(分析純)、尿素

儀器：分析天平、烘箱、馬弗爐、壓片機(jī)、數(shù)控超聲波清洗器、電化學(xué)工作站等。

1.2 氮摻雜三維多孔碳材料的制備

活化劑KHCO3和KOH質(zhì)量比例為1:1氮摻雜三維多孔碳的制備過(guò)程如下：稱(chēng)取質(zhì)量為5g的玉米芯，按玉米芯、活化劑、尿素質(zhì)量比（g/g/g）為1:4:2、1:4:3、1:4:4、1:5:3、1:3:3稱(chēng)取相應(yīng)的活化劑和尿素，加入蒸餾水，將玉米芯、活化劑和尿素在坩堝內(nèi)混合均勻后浸漬14 h,隨后放入馬弗爐中升溫至800 ℃活化反應(yīng)60 min后，將坩堝取出自然冷卻至室溫，用蒸餾水和稀鹽酸洗滌至中性，烘干后得產(chǎn)品。用于后續(xù)電化學(xué)性能測(cè)試。按照如上步驟，制備活化劑KHCO3和KOH質(zhì)量比例為2:1，3:1得到產(chǎn)品。

1.3 電極材料的制備及電化學(xué)性能測(cè)試

將所得樣品:乙炔黑:聚四氟乙烯(60 % PTFE乳液)= 8:1:1的質(zhì)量比混合，乙醇作為溶劑，超聲處理30 min后在烘干，壓成8-10個(gè)薄片，直徑為13 mm，質(zhì)量約5 mg，然后壓在泡沫鎳的表面。電極片置于6 M KOH溶液浸泡24 h后組裝電池。測(cè)試前靜置24 h，測(cè)試電壓為0 -1 V，掃描速度為20～500 mV s-1進(jìn)行循環(huán)伏安和充放電測(cè)試。

2.結(jié)果與討論

將測(cè)得的數(shù)據(jù)采用origin作圖進(jìn)行結(jié)果分析，鍛煉學(xué)生軟件利用能力。

圖1 -1（a）玉米芯 :活化劑（KHCO3:KOH=1:1）:尿素=1:4:4的質(zhì)量比得到樣品CV曲線(xiàn)（b）不同樣品比電容隨掃速變化曲線(xiàn)（KHCO3:KOH=1:1）

圖1-1（a）為玉米芯 :活化劑（KHCO3:KOH=1:1）:尿素=1:4:4得到產(chǎn)品的循環(huán)伏安曲線(xiàn)圖，掃速為500 mV/s時(shí)CV曲線(xiàn)保持良好的矩形，表明其雙電層電容特性較好。圖1-1（b）為不同原料質(zhì)量比得到樣品的比電容隨掃速變化曲線(xiàn)。從圖中可以看出，質(zhì)量比為1:4:4的碳材料組裝的電容器具有較大的比電容。在掃速為5 和500 mV/s時(shí)，其根據(jù)循環(huán)伏安曲線(xiàn)算出的比電容為184.48和128.1 F/g，容量保持率為69.4 %。因此活化劑質(zhì)量比例為1:1時(shí)，原料質(zhì)量比例1:4:4的產(chǎn)品具有相對(duì)更好的電化學(xué)性能。

圖1 -2（a）玉米芯:活化劑（KHCO3:KOH=2:1）:尿素=1:3:3的質(zhì)量比得到樣品CV曲線(xiàn)（b）不同樣品比電容隨掃速變化曲線(xiàn)（KHCO3:KOH=2:1）

圖1-2（a）為玉米芯:活化劑（KHCO3:KOH=2:1）:尿素質(zhì)量比1:3:3得到產(chǎn)品的循環(huán)伏安曲線(xiàn)圖。圖1-2（b）表示的是不同原料質(zhì)量比例得到樣品的比電容隨掃速變化曲線(xiàn)，從圖中可以看出，質(zhì)量比為1:3:3的碳材料具有較大的比電容。在掃速為5 和500 mV/s的比電容分別為214.8和143.3 F/g，容量保持率為66.7 %。因此活化劑質(zhì)量比例為2:1時(shí)，原料質(zhì)量比例1:3:3的樣品具有相對(duì)更好的電化學(xué)性能。

圖1 -3（a）玉米芯:活化劑（KHCO3:KOH=3:1）:尿素=1:3:3的質(zhì)量比得到樣品CV曲線(xiàn)（b）不同樣品比電容隨掃速變化曲線(xiàn)（KHCO3:KOH=3:1）

圖1-3（a）為玉米芯 :活化劑（KHCO3:KOH=3:1）:尿素=1:3:3的樣品在不同掃速的循環(huán)伏安圖，掃速為5 和500 mV/s的比電容為127.9 和81.6 F/g，容量保持率為63.7 %。圖1-3（b）表示的是不同原料質(zhì)量比例得到樣品的比電容隨掃速變化曲線(xiàn)，可以看出這組材料電化學(xué)性能相對(duì)較好的。綜上，活化劑質(zhì)量比例為3:1時(shí)，原料質(zhì)量比例1:3:3得到的樣品具有更好的電化學(xué)性能。

綜上，活化劑質(zhì)量比例為2:1，原料質(zhì)量比例1:3:3的產(chǎn)品具有更好的電化學(xué)性能，其在掃速為5 和500 mV/s時(shí)，由循環(huán)伏安測(cè)試計(jì)算出的比電容分別為214.8 和143.3 F/g，容量保持率為66.7 %。

圖1 -4（a）GCD曲線(xiàn)，（b）比電容隨電流密度變化圖

圖1-4（a）是玉米芯 :活化劑（KHCO3:KOH=2:1）:尿素=1:3:3質(zhì)量比得到樣品的恒流充放電曲線(xiàn)，在電流密度為0.5 A/g時(shí)，比電容為138 F/g。圖1-4（b）該材料組裝的電容器比電容隨電流密度變化圖，隨著電流密度的增大，比電容逐漸變小。

3.結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用生物質(zhì)玉米芯，制備出了具有一定比容量且性能穩(wěn)定的超級(jí)電容器電極材料。電化學(xué)測(cè)試表明玉米芯、活化劑（KHCO3:KOH=2:1）、尿素質(zhì)量比為1:3:3制備出的氮摻雜三維多孔碳材料組裝的電容器電化學(xué)性能較好。

4.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)此綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及完成充分鍛煉了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力、分析、總結(jié)問(wèn)題能力，同時(shí)學(xué)習(xí)了origin繪圖軟件的使用方法，對(duì)學(xué)生綜合能力的提高具有重要作用。