陳 野,張 一,劉旭坡,高書(shū)燕,
(1. 河南師范大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453007;2. 河南師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453007)
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,我國(guó)能源需求迅速增長(zhǎng),近十年間能源消耗增長(zhǎng)了44.9 %,已成為世界最大能源消耗國(guó)。然而,我國(guó)能源儲(chǔ)量有限,化石能源(石油、天然氣等)對(duì)外依賴(lài)度較高,且存在環(huán)境污染嚴(yán)重、能源利用率低等突出問(wèn)題[1]。在如此嚴(yán)峻的形勢(shì)下,為更好解決上述問(wèn)題,亟須開(kāi)發(fā)一種高效、清潔、可持續(xù)的先進(jìn)能源轉(zhuǎn)換及儲(chǔ)存技術(shù)以滿(mǎn)足實(shí)際需求,超級(jí)電容器以其優(yōu)異的性能吸引了眾多研究者目光[1-2]。
超級(jí)電容器是一種介于電池與傳統(tǒng)電容器之間的儲(chǔ)能裝置,以其功率密度高、充電速度快和可靠性高等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于軌道交通、可再生能源、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域。超級(jí)電容器中很少或幾乎不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),所以其充放電循環(huán)次數(shù)可高達(dá)50萬(wàn)次以上,具有廣闊的應(yīng)用前景。在眾多影響超級(jí)電容器性能的因素中,電極材料是關(guān)鍵因素之一。研究表明,可以選取導(dǎo)電聚合物、金屬氧化物和碳材料作為超級(jí)電容器的電極材料[3-6],其中,導(dǎo)電聚合物和金屬氧化物具有贗電容特性,能賦予其較高的比電容,但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性差等問(wèn)題。與之相比,碳材料具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性,且電子傳導(dǎo)速度快、資源豐富、無(wú)毒、理論比表面積大、成本低以及孔徑可調(diào)特性等優(yōu)點(diǎn),是目前工業(yè)化程度較高的超級(jí)電容器電極材料之一[7-11]。碳?xì)饽z[12]、氮摻雜多孔碳[13]和碳納米管[14]是制備雙電層超級(jí)電容器電極材料的常用碳材料。然而,現(xiàn)有碳材料的比電容相對(duì)較低,成為制約該領(lǐng)域發(fā)展的主要缺陷,探尋能夠提高能量密度和比電容的新型碳材料,是目前研究人員努力的熱點(diǎn)方向。
市場(chǎng)調(diào)查表明,現(xiàn)有在售超級(jí)電容器所用的電極材料中多包含有貴金屬,這一特點(diǎn)不僅使其難以擺脫生產(chǎn)成本高的缺陷,而且在制備過(guò)程和使用完畢后會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害,因此亟須開(kāi)發(fā)一種綠色環(huán)保、價(jià)格價(jià)廉的電極材料,以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。多孔碳材料的高比表面積、多級(jí)孔徑結(jié)構(gòu)賦予了其較短粒子擴(kuò)散距離、高電化學(xué)接觸面積、優(yōu)良倍率傳輸效率等優(yōu)勢(shì)[15-17],在儲(chǔ)能方面表現(xiàn)出其獨(dú)特優(yōu)勢(shì),因此探尋出高比表面積、多孔結(jié)構(gòu)的碳材料,成為提高碳材料電容性能的關(guān)鍵。自然界中的植物為滿(mǎn)足自身生長(zhǎng)需求,在千百年來(lái)的進(jìn)化過(guò)程中形成了豐富孔結(jié)構(gòu),為多孔碳材料的合成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)?;诖?,我們選取天然生物質(zhì)材料作為碳源,通過(guò)優(yōu)化合成方法與實(shí)驗(yàn)條件,設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的多級(jí)孔碳材料。
本研究以一種常見(jiàn)生物質(zhì)——塌地松為碳源,以氫氧化鉀為活化劑和致孔劑,經(jīng)高溫碳化和活化得到多級(jí)孔碳材料。測(cè)試結(jié)果表明所得碳材料的比表面積為3948.6 m2/g,總孔體積為2.5 cm3/g,含有大量微孔、介孔及大孔,并且雙電層超級(jí)電容器在酸性三電極體系下(恒電流密度1 A/g),比電容高達(dá)532.0 F/g,表明高比表面積、多級(jí)孔結(jié)構(gòu)、均勻孔徑分布和雜原子摻雜有利于提高碳材料的比電容,為超級(jí)電容器電極材料的選擇和構(gòu)筑提供了技術(shù)指導(dǎo)。
1.1.1 原料與試劑
塌地松,來(lái)自河南師范大學(xué)試驗(yàn)田;鹽酸,分析純(AR),鄭州派尼化學(xué)試劑廠;高純氮?dú)猓锣l(xiāng)市豫新氣體制造有限公司;氫氧化鉀,分析純(AR),上海國(guó)藥化學(xué)試劑有限公司;無(wú)水乙醇,分析純(AR),天津市天力化學(xué)試劑有限公司;硫酸,分析純(AR),國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
1.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器
電子分析天平,TG-328B(中國(guó));掃描電子顯微鏡,JSM-6390LV(日本);X射線電子能譜儀,VG Microtech(美國(guó));拉曼光譜儀,Perkin(美國(guó));比表面積測(cè)定儀,Autosorb iQ2(美國(guó));透射電鏡(H-7600),Hitachi(日本);X射線衍射儀,Rigaku MiniFlex II(日本);傅里葉變換紅外光譜儀,VECTOR22(德國(guó));紫外可見(jiàn)吸收光譜儀,TU-1810(中國(guó));電化學(xué)工作站,CHI 660E(中國(guó))。
1.1.3 合成多級(jí)孔碳材料
在實(shí)驗(yàn)中,使用塌地松作為生物質(zhì)前驅(qū)體,以氫氧化鉀作為活化劑和致孔劑,經(jīng)過(guò)高溫碳化和活化兩個(gè)必要環(huán)節(jié),制得多級(jí)孔碳材料。首先,用水清洗塌地松2~3次,放入110 ℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi),靜置七天直至塌地松徹底干燥,將塌地松粉碎成細(xì)粉狀,得到物料A。然后,將物料A轉(zhuǎn)移至瓷舟中,置于管式爐中進(jìn)行碳化處理,在60 min內(nèi)升至300 ℃,在氮?dú)夥諊芯S持60 min;再次經(jīng)60 min升溫至600 ℃,煅燒2 h,自然降至室溫,得到物料B。稱(chēng)取0.5 g物料B,分別與1.5、2.0或2.5 g氫氧化鉀混合,再加入5~7 mL去離子水混合均勻,于室溫條件下靜置8 h,然后在105 ℃鼓風(fēng)干燥箱中烘干,得到物料C。接著把物料C轉(zhuǎn)移至鎳舟中,置于管式爐中高溫活化,在60 min內(nèi)升至300 ℃,在氮?dú)庵芯S持60 min,然后經(jīng)40 min升溫至目標(biāo)溫度(600、700或800 ℃),保溫120 min,冷卻得到產(chǎn)物D。最后,將產(chǎn)物D放入2 mol/L鹽酸溶液中浸泡12 h,抽濾洗滌至濾液pH為7,放入鼓風(fēng)干燥箱干燥12 h,得到最終產(chǎn)物多級(jí)孔碳材料。所得樣品命名為T(mén)TK-X-Y,其中X表示活化溫度(600、700、800 ℃),Y代表氫氧化鉀與物料B的質(zhì)量比(3、4、5)。
1.2.1 物理性能測(cè)試
通過(guò)透射電子顯微鏡(TEM)和場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)觀察樣品形貌,利用Al-Kα放射線(300.0 eV)進(jìn)行X射線光電子能譜(XPS)測(cè)試,樣品物相通過(guò)X射線衍射(XRD)檢測(cè),樣品表面官能團(tuán)結(jié)構(gòu)采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)表征,利用拉曼光譜儀(Raman)研究樣品的石墨化程度和缺陷,樣品的孔徑結(jié)構(gòu)和比表面積使用IQ2物理吸附儀進(jìn)行N2吸脫附測(cè)試得出。
1.2.2 電化學(xué)性能測(cè)試
工作電極制備:將合成的碳材料與乙炔炭黑和粘結(jié)劑(PTFE乳液,12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))以適當(dāng)質(zhì)量比(75∶20∶5)混合研磨,制備漿料。然后將漿料均勻涂抹于條狀不銹鋼網(wǎng)上(有效涂抹面積:1 cm2),最后在105 ℃鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)干燥4~5 h,得到工作電極。將制得的電極組裝成三電極和兩電極超級(jí)電容器體系,其中三電極體系以制得的電極為工作電極,以同樣規(guī)格的不銹鋼網(wǎng)作為對(duì)電極,用Hg/Hg2SO4電極作為參比電極,1 mol/L H2SO4溶液作為電解質(zhì)。兩電極體系采用制得的工作電極組裝成對(duì)稱(chēng)的超級(jí)電容器器件,使用1 mol/L H2SO4電解質(zhì)溶液。循環(huán)伏安測(cè)試在酸性環(huán)境兩電極體系下以不同的掃描速度進(jìn)行;三電極體系和兩電極體系均進(jìn)行恒電流充放電曲線測(cè)試,測(cè)試依次在1、2、5、10、20、30 A/g的電流密度下進(jìn)行,測(cè)得循環(huán)伏安曲線圖譜、電化學(xué)阻抗譜的數(shù)據(jù)、恒電流充放電的曲線圖譜以及充放電循環(huán)壽命。
樣品的質(zhì)量比電容C(F/g)、能量密度E(Wh/kg)以及功率密度P(W/kg)的計(jì)算公式如下所示[18-19]:
(1)
(2)
(3)
(4)
其中,Csp1和Csp2分別為樣品在兩電極體系和三電極體系中的比電容,I(A)為放電電流,ΔV(V)為電壓窗口,m1(g)為單個(gè)電極片上所附碳材料質(zhì)量,ΔT(s)為放電時(shí)間,V(V)為除去溶液電壓降(IR)后的電位差。
為獲取所制備樣品的形貌特征,借助SEM和TEM測(cè)試技術(shù)表征樣品的微觀形貌。由圖1(a)的SEM圖像可以清晰地觀察到,只碳化、未活化的樣品表面僅存在少量孔結(jié)構(gòu)(主要以大孔為主),與三維多孔結(jié)構(gòu)的需求相差甚遠(yuǎn)。而經(jīng)過(guò)氫氧化鉀活化所得的樣品表面為密集的蜂窩狀結(jié)構(gòu),且孔洞分布均勻,符合三維多孔結(jié)構(gòu)特征,如圖1(b)所示。通過(guò)TEM表征可以看到樣品TTK-700-4表面呈現(xiàn)均勻孔結(jié)構(gòu)(圖1(c)),這與上述SEM圖分析結(jié)果一致。此外,通過(guò)HR-TEM圖可以觀察到樣品TTK-700-4具有部分的石墨化結(jié)構(gòu)(圖1(d)),這有利于提高樣品的導(dǎo)電性,從而提高其電容性能。
圖1 (a) 碳化樣品的FESEM圖;經(jīng)過(guò)碳化和活化處理的樣品TTK-700-4 的形貌:(b) FESEM圖,(c) TEM圖,(d) HR-TEM圖Fig 1 (a) FESEM of the carbonized sample, FESEM (b), TEM (c) and HR-TEM (d) of TTK-700-4 via the carbonized and activated treatment
為了證實(shí)活化劑用量與活化溫度對(duì)樣品結(jié)構(gòu)的影響,借助FESEM和SEM技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行了表征,如圖2所示。通過(guò)對(duì)比可以觀察到,經(jīng)過(guò)活化處理的樣品都具有豐富的孔結(jié)構(gòu),說(shuō)明加入氫氧化鉀作為活化劑和致孔劑,可以使碳材料結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。然而,與TTK-700-4樣品相比,其他樣品都存在孔徑分布雜亂、孔徑大小不一、材料內(nèi)部孔較少等問(wèn)題,可能是由于氫氧化鉀造孔劑用量不合適。材料內(nèi)部孔較少可能是因?yàn)闇囟容^低未能充分發(fā)揮氫氧化鉀活化造孔劑的作用,或者溫度較高造成樣品內(nèi)部發(fā)生了塌陷。而孔徑大小及分布直接影響材料與電解液的接觸面積以及電解質(zhì)離子的傳輸速度,據(jù)此可以初步判定TTK-700-4具有優(yōu)異的電容性能。
圖2 FESEM圖Fig 2 FESEM images
為進(jìn)一步研究碳材料的多孔結(jié)構(gòu),對(duì)所有樣品進(jìn)行N2吸-脫附分析測(cè)試。圖3為系列樣品的孔徑分布,可以看出所得樣品具有較寬的微、介孔分布范圍,且其孔徑大小集中于0.5~4.0 nm范圍內(nèi),此孔徑尺寸與電解液離子的直徑相匹配,有助于提高離子傳輸性能,進(jìn)而提高材料的比電容[20-21]。通過(guò)計(jì)算得出樣品TTK-700-4的比表面積為3948.6 m2/g,總孔體積為2.5 cm3/g,在系列樣品中具有最大的比表面積和總孔體積。其中,TTK-800-4的比表面積為3 524.5 m2/g,總孔體積為2.4 cm3/g;TTK-700-5的比表面積為3809.5 m2/g,總孔體積為2.4 cm3/g;TTK-700-3的比表面積為2 566.8 m2/g,總孔體積為1.1 cm3/g;TTK-600-4的比表面積為2 368.8 m2/g,總孔體積為1.1 cm3/g。通過(guò)分析上述數(shù)據(jù)可知,TTK-700-4的比表面積與總孔體積最大,高比表面積為離子吸附提供更多吸附位點(diǎn),能夠有效提高電荷的吸附和聚集能力。因此,改變氫氧化鉀用量與活化溫度可以有效調(diào)控生物質(zhì)碳材料的比表面積與孔容。
圖3 樣品孔徑分布圖Fig 3 Pore size distribution of all samples
除了微觀結(jié)構(gòu),材料組成也是影響其催化性能的關(guān)鍵因素之一。由圖4(a) 的FT-IR圖譜可以定性分析樣品中所含的官能團(tuán),在3 439 cm-1處存在極強(qiáng)的吸收峰,并且此吸收峰較寬,證明有O—H和N—H鍵存在;在2 920 cm-1處的特征峰是C—H鍵伸縮振動(dòng)引起的;而1 629和1 459 cm-1附近的吸收峰證明了C=O鍵和C=N鍵的存在;1 112和1 057 cm-1處存在的吸收峰是C—O鍵和C—O—C鍵伸縮振動(dòng)導(dǎo)致的。本研究進(jìn)一步通過(guò)XPS光譜研究碳材料的表面組成,圖4 (b) 證實(shí)所得樣品都含有C1s峰(284.7 eV)、N1s峰(399.8 eV)和O1s峰(532.4 eV)。分析圖4 (c) 和圖4 (d)可知樣品TTK-700-4中具有N-6型吡啶氮、N-5型吡咯氮、N-Q型石墨氮和N-OX型氧化氮4種含N官能團(tuán),以及CO、C—OH、C—O—C、OC—OH四種含O官能團(tuán)。含氮、含氧官能團(tuán)能夠改善電極材料對(duì)電解液的潤(rùn)濕性,提高離子轉(zhuǎn)移速度,從而提升樣品電容性能。此外,N-6、N-Ox可以與電解液離子發(fā)生法拉第反應(yīng)貢獻(xiàn)贗電容。由圖4(e) XRD圖中2θ處的弱衍射峰、圖4(f)中強(qiáng)度相差不大的D峰與G峰可知,材料具有一定的石墨化程度,這也與圖1(d)所示結(jié)果一致,表明樣品TTK-700-4的導(dǎo)電性可能優(yōu)于其它樣品。
圖4 系列樣品TTK-X-Y的傅里葉紅外光譜圖(a),XPS光譜圖(b);TTK-700-4的高分辨率N1s光譜圖(c),O1s光譜圖(d);系列樣品TTK-X-Y的XRD圖(e),Raman光譜圖(f)Fig 4 (a) FT-IR spectra and (b) full-scan XPS spectra of all samples, high-resolution XPS spectra of (c) N 1s and (d) O 1s of TTK-700-4, (e) XRD pattern and (f) Raman spectrum of all samples
通過(guò)上述結(jié)構(gòu)分析可知,TTK-700-4的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)預(yù)示其電化學(xué)性能可能優(yōu)于其它樣品。為了驗(yàn)證該猜測(cè),本研究對(duì)所得樣品的電化學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試(圖5)。由圖5 (a)可知,所有樣品的比電容都大于491 F/g(1 A/g的電流密度下),其中樣品TTK-700-4的比電容高達(dá)532.0 F/g。在30 A/g的電流密度下,樣品TTK-700-4仍能達(dá)到274 .2 F/g的比電容。從圖5 (b)可以觀察到所有樣品均表現(xiàn)出類(lèi)矩形形狀CV曲線,并且無(wú)顯著形變,說(shuō)明制備的材料具備理想的雙電層電容性能[22-23]。樣品TTK-700-4的類(lèi)矩形封閉曲線所圍成的面積在系列樣品中最大,表明TTK-700-4具有最佳的比電容性能,與圖5(a)結(jié)果一致。圖5(c)中的交流阻抗圖譜由高頻區(qū)的半圓弧與低頻區(qū)的斜線組成,半圓弧的直徑表示電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)大小,Rct來(lái)源于電極材料與電解質(zhì)接觸界面的電荷轉(zhuǎn)移和離子吸脫附過(guò)程;斜線與Warburg阻抗(Rp)有關(guān),代表了電極材料的孔結(jié)構(gòu)對(duì)電解質(zhì)離子擴(kuò)散的影響。TTK-700-4具有較小的Rct和Rp值,證明電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中電荷與電解質(zhì)離子在TTK-700-4表面和內(nèi)部具有較快的傳輸速度,有助于提升其電容性能。穩(wěn)定性對(duì)電極材料至關(guān)重要,從圖5 (d) 可知,TTK-700-4經(jīng)過(guò)10 000次循環(huán)(電流密度:30 A/g)后比電容保持率為94.5%,證明其具有使用壽命長(zhǎng)、循環(huán)穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)。
圖5 系列樣品TTK-X-Y的比電容圖(a);CV圖(b);高頻區(qū)的阻抗曲線圖(c);(d)樣品TTK-700-4的循環(huán)壽命圖Fig 5 The specific capacitance values at various current densities (a), CV profiles (b) and EISspectra (c) of all samples; (d) plots of cycle stability and capacitance retention for 1000 cycles (the inset is the cycle test for 10 000 cycles) of TTK-700-4
為對(duì)比不同樣品的電容性能,在不同電流密度下進(jìn)行充放電測(cè)試。圖6(a)結(jié)果顯示,所有的曲線呈現(xiàn)出三角形狀分布,證實(shí)所得樣品具有較高的比電容,其中TTK-700-4的比電容高達(dá)366.0 F/g(1 A/g恒電流密度)。能量密度和功率密度是衡量電極材料電化學(xué)性能的重要參數(shù)。圖6(b)顯示TTK-700-4的功率密度高達(dá)5 245.6 W/kg(于30 A/g電流密度下),能量密度高達(dá)12.5 Wh/kg(于0.5 A/g電流密度下)。為了驗(yàn)證TTK-700-4對(duì)電解液酸堿的普適性,在強(qiáng)堿性電解液中對(duì)TTK-700-4的電化學(xué)性能進(jìn)行系列測(cè)試。圖6 (c)和圖6 (d)表明,在堿性環(huán)境中樣品TTK-700-4仍表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能,三電極堿性體系比電容值為509 F/g(1 A/g電流密度),兩電極堿性體系比電容值為351 F/g(0.5 A/g電流密度)。TTK-700-4的優(yōu)異儲(chǔ)能性能主要得益于以下因素:多級(jí)孔結(jié)構(gòu)提供了大量的電化學(xué)活性位點(diǎn);高比表面積和最佳的孔徑分布增大了離子接觸面積,豐富了離子傳輸通道;氧和氮雜原子摻雜和相對(duì)高的石墨化程度增加了材料的表面潤(rùn)濕性、贗電容和導(dǎo)電性。
圖6 系列樣品TTK-X-Y在酸性體系的GCD圖(a);能量密度和功率密度圖(b);樣品TTK-700-4在酸性體系的GCD圖(c);在堿性體系的GCD圖(d)Fig 6 Thegalvanostatic charge/discharge curves (a), power density and energy density (b) of all samples in acid system, galvanostatic charge/discharge curves in acid system (c) and alkalic system (d) of TTK-700-4
該研究以生物質(zhì)塌地松為前驅(qū)體,以氫氧化鉀為活化劑,通過(guò)調(diào)控活化劑用量和活化溫度制備了系列碳材料。所得碳材料具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu),豐富孔道為電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程提供了大量活性位點(diǎn);高比表面積(3 948.6 m2/g)和最佳孔徑分布增大了離子接觸面積,豐富了離子傳輸通道;而氧、氮雜原子摻雜和相對(duì)高的石墨化程度,增強(qiáng)了碳材料的潤(rùn)濕性、贗電容和導(dǎo)電性。上述結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)賦予了多級(jí)孔碳材料優(yōu)異的電化學(xué)性能,電容為532.0 F/g,能量密度為12.5 Wh/kg,功率密度高達(dá)5 245.6 W/kg。該研究為超級(jí)電容器電極材料的有效構(gòu)筑提供了有利借鑒。