(鄭州大學化工與能源學院 河南 鄭州 450000)

一、引言

隨著化石能源消耗量的不斷激增，環(huán)境污染問題日益加劇，開發(fā)研究高效、清潔、可持續(xù)發(fā)展的新能源材料受到了廣泛的關注。超級電容器是一種介于蓄電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲能裝置，由于超級電容器具有高的功率密度和能量密度、較長的循環(huán)壽命以及安全性、無記憶效應等優(yōu)點，在電動汽車和儲能裝置等領域有較廣泛的用途。根據(jù)電荷儲存機理，有兩種類型的電化學超級電容器存在，一種是法拉第超級電容器，另一種就是雙電層超級電容器。其中雙電層超級電容器的儲能機理，主要是利用電極材料表面的晶格缺陷和多孔結(jié)構(gòu)以及表面官能團對電解質(zhì)離子的吸附和脫附來儲存電荷，在電極與電解質(zhì)溶液的表面形成雙電層來儲存電容。

農(nóng)作物秸稈是一種天然的纖維素生物質(zhì)，被認為是地球上最有價值和最豐富的可再生資源之一。在中國，天然纖維素生物質(zhì)的年產(chǎn)量超過7億噸，其中玉米秸稈的產(chǎn)量占了30%以上。河南省作為糧食大省，為了貫徹落實可持續(xù)發(fā)展的新思想新戰(zhàn)略，再加上原始的“廢物-財富”概念，使得玉米秸稈衍生的碳材料在電極材料方面的潛在應用吸引了大量的關注。用它來為制備超級電容器電極材料既有豐富的原料來源，又可以避免秸稈焚燒對環(huán)境的污染。而且，具有多孔結(jié)構(gòu)的玉米秸稈是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三種主要成分組成，其中含有豐富的極性羥基、羰基。這些極性基團在有機酸的作用下能與纖維素纖維之間形成交聯(lián)橋，這種特性也使玉米秸稈成為合成具有特定多孔結(jié)構(gòu)的碳材料的優(yōu)勢所在。

二、實驗部分

(一)實驗試劑和合成方法

所有試劑均為購買自阿拉丁公司的分析純試劑。

(二)材料表征方法

用X-射線粉末衍射儀對玉米秸稈衍生的多孔碳材料進行物相表征；通過掃描電子顯微鏡儀器樣品表面形貌特征進行觀察分析；通過氮氣吸/脫附測體積法對樣品的比表面積和孔徑大小進行詳細分析。進行了循環(huán)伏安法電化學性能測試和恒電流充放電測試以及樣品的循環(huán)穩(wěn)定性測試。

(三)電極制備過程和液相對稱超級電容器的組裝

電極的制備按照傳統(tǒng)的混合、調(diào)漿、涂抹、干燥的方法制備。

(四)電化學性能測試

在同一濃度的KOH電解質(zhì)溶液中，對組裝的對稱超級電容器分別進行以上測試。

三、結(jié)果與討論：

(一)材料結(jié)構(gòu)表征

利用掃描電鏡對樣品的詳細微觀結(jié)構(gòu)進行了進一步的分析。玉米秸稈多孔生物質(zhì)炭的高倍掃描電鏡(SEM)圖，能看到其中有很多孔結(jié)構(gòu)，孔結(jié)構(gòu)有利于電解液離子快速擴散/傳輸。玉米秸稈多孔生物質(zhì)炭的低倍SEM圖，可以看出樣品表面粗糙不均，有大小不一的塊狀結(jié)構(gòu)。不過上述分析表明，含有多孔生物質(zhì)炭的樣品已成功合成。

為了進一步研究玉米秸稈生物質(zhì)多孔炭樣品的結(jié)構(gòu)，采用氮氣吸脫附法對H-3、H-5、H-7樣品的比表面積、孔徑分布進行了分析。根據(jù)氮氣吸附-解吸等溫線用BET法對三個不同KOH比例的樣品計算得出：H-3、H-5、H-7樣品的比表面積分別為1997.38 m2/ g、2167.17 m2/ g、2004.93 m2/ g。較高的比表面積為電解質(zhì)離子的吸附提供更多的活性位點。H-3、H-5、H-7樣品的吸脫附曲線有較明顯的回滯環(huán)，這表明H-3、H-5、H-7這三個樣品具有相似的孔結(jié)構(gòu)，主要由微孔和中孔形成，平均孔徑均在4.02 nm左右。進一步證實了SEM中多孔的分析結(jié)果。多孔結(jié)構(gòu)可以通過降低離子傳輸阻力和擴散距離來增加電解質(zhì)離子的快速擴散/傳輸。

(二)材料電化學性能表征

采用三電極體系研究了H-3、H-5和H-7樣品電極在3 mol/L KOH電解液中的電化學性能。通過分析和對比發(fā)現(xiàn)，樣品H-5具有最優(yōu)異電化學性能，這主要歸因于其較高的比表面積(2167.17 m2/ g)。高的比表面積增加了更多離子吸附位點，進一步增加雙電層電容。

(三)對稱超級電容器電化學測試

由于H-5樣品電極具有高的比電容、較好循環(huán)穩(wěn)定性，所以本實驗還研究了基于H-5樣品的超級電容器在3 mol/L KOH電解液中的電化學性能。由超級電容器的比電容圖可以看出，在電流密度為1 A/g時，H-5樣品超級電容器的比電容最大為30 F/g。隨著電流密度增加到5 A/g時，電容保持率為80%，顯示出基于H-5樣品的對稱超級電容器具有高比電容和優(yōu)異的倍率性能。

能量密度和功率密度是反映超級電容器性能的一組重要數(shù)據(jù)。通過公式分別計算對稱超級電容器的能量密度和功率密度。得到H-5樣品超級電容器所能達到的最大功率密度為4056 W/Kg，最大能量密度為7.04 Wh/Kg。

為了進一步體現(xiàn)基于H-5材料的對稱超級電容器的實用價值，將兩個這種超級電容器串聯(lián)在一起為電源，在充電之后，能夠輕易點亮15個LED燈，并且也能使小風扇正常工作。充分證明，H-5樣品作為超級電容器的電極材料具有很好的研究意義。

四、結(jié)論

總之，以玉米秸稈為模板制備的多孔生物質(zhì)炭，由于高的表面積和豐富的孔徑分布，賦予了這種材料優(yōu)異的電化學性能。應用于對稱超級電容器中，表現(xiàn)出超長的循環(huán)壽命(循環(huán)10000圈電容保持率為80.05%)以及所能達到的最大功率密度為4056 W/Kg，最大能量密度為7.04 Wh/Kg。因此，多孔生物質(zhì)炭作為新一代超級電容器電極材料具有良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>