曲玉寧 劉林 熊媛媛（天津工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，天津300387）

0 引言

超級(jí)電容器因其具有功率密度高、能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景以及商業(yè)價(jià)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?xì)饽z等。近年來(lái)，生物質(zhì)基碳材料因?yàn)槠洳牧檄h(huán)境友好，來(lái)源廣等引起了人們的廣泛關(guān)注[1]。

為了提高多孔炭材料的導(dǎo)電性和潤(rùn)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(huì)引起表面電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，能有效提高碳材料的電化學(xué)性能，常見(jiàn)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(chǎn)生雙官能團(tuán)或雙原子的協(xié)同作用，顯著提高材料的導(dǎo)電性，達(dá)到使贗電容增強(qiáng)的目的。Liu 等[2]以生物質(zhì)香蒲葉為原材料制備N、P 共摻雜的多孔碳材料，比電容達(dá)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(jié)果顯示比電容高，內(nèi)阻低，性能良好，主要是因?yàn)閮煞N雜原子摻雜使材料內(nèi)部產(chǎn)生大量的介孔和微孔，增加比表面積和離子接觸位點(diǎn)，使得離子能更有效地傳輸。

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

1 實(shí)驗(yàn)部分

稱取棉花和磷酸二氫銨，質(zhì)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(yīng)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(zhì)量比進(jìn)行混合，浸泡24h 后烘干然后在馬弗爐中N2氣氛下800℃的反應(yīng)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(zhì)量）。

2 結(jié)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(zhì)量比分別為1：4、1：5、1：6、1：7、時(shí)電極材料的循環(huán)伏安曲線，從圖中可以看出，該電極材料都能保持比較對(duì)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(méi)有出現(xiàn)明顯的氧化還原峰，這充分說(shuō)明這類電極在不同的掃描速率下，電容性能比較優(yōu)異。并且，在掃描速率高達(dá)500mv/s時(shí)，仍能發(fā)現(xiàn)具有對(duì)稱的矩形形狀，證明了其優(yōu)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(shí)間內(nèi)，確保離子能夠傳輸?shù)竭_(dá)樣品的微觀結(jié)構(gòu)中。

圖2 a、b、c、d分別是樣品N,P-CF-1：2-K 與KOH 質(zhì)量比為1：4、1：5、1：6、1：7 時(shí)電極材料的充放電圖像，可以看出，該曲線呈現(xiàn)很明顯的三角形形狀，上升部分表示充電過(guò)程，電壓隨著時(shí)間的增加而增大；而后半段為放電部分，電壓隨著時(shí)間的增加而減小，充分說(shuō)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(shí)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(yōu)的性能。

3 結(jié)語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)以棉花為原料，通過(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)CV 和CP 電化學(xué)測(cè)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(shí)的比電容最大，為511.2 F/g，說(shuō)明N,P摻雜中空碳纖維作為超級(jí)電容器的電極材料有其卓越的電容性能。

為本項(xiàng)目的完成，特向天津工業(yè)大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目致謝！