韓尊強(qiáng)，鐘偉婷，王堃

(北京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

面對(duì)化石等傳統(tǒng)能源因污染和增加溫室效應(yīng)等問題，各國(guó)研究人員近年來將目光轉(zhuǎn)向了綠色、可再生的生物質(zhì)能源領(lǐng)域。其中，以電力為動(dòng)力的新能源領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，超級(jí)電容器成為生物質(zhì)能源材料在儲(chǔ)能材料領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一。超級(jí)電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間的新型儲(chǔ)能裝置，具有充放電速度快、功率密度高和循環(huán)穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[1]。但超級(jí)電容器裝置面臨著孔徑分布不均和炭材料浸潤(rùn)性差等問題，影響其在儲(chǔ)能材料領(lǐng)域中的應(yīng)用。為適應(yīng)新時(shí)代對(duì)儲(chǔ)能材料的需求，越來越多的生物質(zhì)被用作制備超級(jí)電容器電極材料的炭前驅(qū)體，例如：爆米花[2]、甲殼素[3]、煙草[4]、香蕉皮[5]等。我國(guó)竹資源豐富且種類繁多，但以竹資源作為超級(jí)電容器材料前驅(qū)體的報(bào)道甚少，竹活性炭具有較均勻的孔徑分布和優(yōu)異的吸附性能，可以提供離子運(yùn)輸通道，有利于離子的吸附/脫附以及儲(chǔ)存[6]。研究表明雜原子摻雜于多孔炭材料中可以增強(qiáng)材料表面的親水性并提供額外的贗電容，該理論可為竹炭在超級(jí)電容器領(lǐng)域的應(yīng)用開辟了一條新的道路[7-8]。

筆者以竹炭為前驅(qū)體，三聚氰胺為氮源，與K2CO3按質(zhì)量比例混合后進(jìn)行球磨，通過炭化和活化過程，成功制備了氮摻雜竹炭超級(jí)電容電極材料(NC)，并通過控制竹炭與KOH的比例優(yōu)化材料的性能。炭化過程中K2CO3受熱分解釋放出CO2和K2O，對(duì)竹炭起到預(yù)活化的作用，使其內(nèi)部及表面產(chǎn)生塌陷和孔隙，有利于介孔和微孔的形成。與純竹活性炭電極材料相比，NC-1(炭堿比為1.0∶1.0)的質(zhì)量比電容提升了86.6%，這得益于高比表面積背景下豐富的微孔和介孔可以增強(qiáng)電極材料的雙電層電容特性，多孔炭材料中摻雜的氮元素所提供的贗電容，該工藝同時(shí)也為其他生物質(zhì)在該領(lǐng)域的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料、藥品及儀器

竹炭，購自安徽省合肥市。氫氧化鉀、碳酸鉀、三聚氰胺，購自上海麥克林生化科技有限公司，均為國(guó)產(chǎn)分析純；濃鹽酸(HCl，質(zhì)量分?jǐn)?shù)38%)，購自北京化工廠；聚四氟乙烯(PTFE，質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%)，購自東莞市靜天塑料有限公司。泡沫鎳購自太原市力之源材料有限公司。

試驗(yàn)用儀器設(shè)備有：XQM-4A型球磨機(jī)(長(zhǎng)沙市天創(chuàng)粉末技術(shù)有限公司)，SK-G06123K型管式爐(天津市中環(huán)電爐有限公司)，ZRD-A7230型烘箱(上海智誠分析儀器有限公司)，DB-AB型加熱板(上海力辰儀器科技有限公司)，CHI760e電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司)；FE-SEM-SU801型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本日立公司)，TF30型透射電子顯微鏡(美國(guó)FEI公司)，LabRAM XploRA型顯微共聚焦拉曼光譜儀(日本Horiba公司)，D8 advance型 X射線衍射儀(德國(guó)Bruker公司)，ESCALAB 250XI 型X射線光電子能譜分析儀(美國(guó)Thermo公司)，Kubo X1000型比表面積分析儀(北京彼奧德電子技術(shù)有限責(zé)任公司)。

1.2 氮摻雜竹炭材料的制備

1)將10 g竹炭與10 g碳酸鉀、10 g三聚氰胺混合均勻，放入球磨罐中以450 r/min球磨5 h，收集得到球磨樣品。取3 g球磨樣品置于樣品槽中，放入管式爐中部，將石英管抽為真空狀態(tài)后緩慢通入氮?dú)猓炕^程中始終保持出氣口有氮?dú)馀懦?。炭化溫度?00 ℃，炭化時(shí)間為1 h，升溫速率為5 ℃/min，以3 ℃/min降溫速率降至室溫得到炭化樣品。

2)取1 g球磨樣品與質(zhì)量分?jǐn)?shù)20% 的KOH溶液按適當(dāng)?shù)奶繅A質(zhì)量比(1.0∶0.5、1.0∶1.0、1.0∶2.0、1.0∶3.0)混合，超聲分散30 min，攪拌30 min后置于80 ℃的烘箱中干燥12 h。將干燥后的樣品研磨后置于樣品槽中，放入管式爐中部，石英管抽為真空狀態(tài)后緩慢通入氮?dú)?，活化過程中始終保持出氣口有氮?dú)馀懦??；罨瘻囟葹?00 ℃，活化時(shí)間為1 h，升溫速率與降溫速率同步驟1)，樣品降至室溫得到活化樣品。

3)將活化樣品用1 mol/L HCl溶液洗滌2～3次、每次浸泡4 h以除去樣品中的雜質(zhì)和灰分，最后用去離子水洗滌樣品至中性，置于100 ℃烘箱中干燥12 h。將制備出的氮摻雜竹炭材料分別命名為NC-0.5(炭堿比為1.0∶0.5)、NC-1、NC-2(炭堿比為1.0∶2.0)、NC-3(炭堿比為1.0∶3.0)。將球磨過程中未添加碳酸鉀和三聚氰胺并按1.0∶1.0炭堿比制備的樣品作為對(duì)比樣，命名為BC-1。

1.3 超級(jí)電容器電極制備

將制備出的氮摻雜竹炭材料研磨后與乙炔黑、質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的PTFE溶液按質(zhì)量比8∶1∶1混合均勻，超聲分散30 min，攪拌30 min后置于100 ℃烘箱干燥6 h，將干燥后的粉末樣品傾倒在60 ℃電熱板上，滴加適量無水乙醇浸潤(rùn)，反復(fù)揉壓混合物使其黏結(jié)在一起并攤成薄片(厚度控制在150～200 μm)，置于80 ℃烘箱干燥4 h。將薄片裁剪為約2 mg的電極片用油壓機(jī)在8 MPa下負(fù)載于1 cm×0.5 cm(長(zhǎng)×寬)的泡沫鎳上，制成的電極片在6 mol/L KOH電解液中浸泡6 h。以6 mol/L KOH為電解液組成三電極測(cè)試裝置用于分析氮摻雜炭材料的各項(xiàng)電化學(xué)性能。

1.4 電化學(xué)性能測(cè)試及計(jì)算

采用三電極體系進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試，使用上海辰華CHI 760e電化學(xué)工作站進(jìn)行恒電流充放電曲線(GCD)、循環(huán)伏安曲線(CV)、交流阻抗(EIC)以及長(zhǎng)循環(huán)測(cè)試。其中恒流充放電電勢(shì)窗口為-1～0 V，電流密度為0.1～50.0 A/g；循環(huán)伏安電勢(shì)窗口為-1～0 V，掃描速率為5～100 mV/s；交流阻抗在開路電壓中測(cè)試，頻率范圍為10-2～105Hz；長(zhǎng)循環(huán)充放電測(cè)試為5 000次，電流密度為10 A/g。對(duì)電極為鉑片電極，參比電極為汞-氧化汞電極，電解液為6 mol/L KOH溶液。材料的比電容通過恒流放電曲線計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：C為質(zhì)量比電容，F(xiàn)/g；I為放電電流，mA；Δt為放電時(shí)間，s；m為活性物質(zhì)質(zhì)量，mg；ΔU為放電電勢(shì)窗口，V。

根據(jù)交流阻抗圖譜(EIS)結(jié)果中虛部阻抗、實(shí)部阻抗和頻率可以推算EIS比電容值，具體計(jì)算公式如下：

(2)

式中：f為頻率，Hz；Z′為實(shí)部頻率，ohm；Z″為虛部頻率，ohm。

標(biāo)準(zhǔn)電容是指CEIS/CMax比值，其中CMax為頻率為0.01 Hz時(shí)最大的CEIS值。CEIS的弛豫時(shí)間常量(τ0)常用于評(píng)估材料電極的倍率性能，公式如下：

(3)

式中：f0是CEIS/CMax比值為0.5時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率值，Hz。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮摻雜竹基多孔炭材料的表征

純竹活性炭材料(BC-1)與氮摻雜竹活性炭材料(NC-1)的掃描電子顯微鏡圖(SEM)如圖1所示。圖1中清晰地顯示出所制備的炭材料在微觀形態(tài)下雜亂無章的形貌，在活性炭顆粒表面附著少許炭微粒，這可能是由于球磨過程或酸洗過程造成的。相比而言，圖1b中的BC-1表面粗糙且表面孔隙較少，表明僅依靠活化劑(KOH)較難產(chǎn)生更多的表面介孔和提高比表面積，而圖1d中的炭材料中則可以明顯地觀察到表面含有豐富且均勻的介孔及大孔，說明采用兩次活化制備的氮摻雜竹活性炭材料具有良好的孔隙結(jié)構(gòu)，這將有利于充放電過程中離子的儲(chǔ)存與傳輸，對(duì)材料的各項(xiàng)電化學(xué)性能具有重要影響[9]。引起該結(jié)構(gòu)差異的主要原因可能是由于炭化過程中K2CO3受熱分解，產(chǎn)生的二氧化碳與K2O對(duì)炭材料具有活化造孔的作用，有利于KOH溶液進(jìn)入炭化樣品內(nèi)部[10]。從反應(yīng)原理上可以將炭化過程概括為“預(yù)活化”過程，并與下一步的活化過程構(gòu)成了兩次活化。

BC-1:a×10.00 k, b×50.00 k； NC-1： c×10.00 k， d×50.00 k。圖1 竹炭多孔電極材料的掃描電子顯微鏡圖Fig. 1 The SEM images of pore bamboo carbon electrode materials

進(jìn)一步使用透射電鏡(TEM)對(duì)氮摻雜竹活性炭材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。材料中分布有不同尺寸的塌陷，說明存在少量的介孔及大孔，圖2a中在電子束照射下出現(xiàn)了分布不均勻的光點(diǎn)，表明樣品中存在少量的介孔，進(jìn)一步放大(圖2b)可以清楚地觀察到蠕蟲狀斑點(diǎn)的存在，證實(shí)制備的樣品存在納米級(jí)的微孔結(jié)構(gòu)。

a. 10 000倍；b. 50 000倍。圖2 氮摻雜竹活性炭材料(NC-1)的透射電子顯微鏡圖Fig. 2 The TEM images of NC-1

采用氮?dú)馕?脫附等溫曲線及孔徑分布圖對(duì)比研究了氮摻雜竹活性炭材料的孔結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖3所示。根據(jù)國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)理論可知，BC-1為Ⅰ類等溫吸附-脫附曲線(圖3a)，表明樣品中僅存在大量的微孔，而NC-1為Ⅰ類與Ⅳ類混合等溫曲線[11-12]，尤其是在低相對(duì)壓力處吸附量遠(yuǎn)高于BC-1樣品，表明NC-1樣品含有的微孔高于BC-1樣品；在高壓區(qū)(相對(duì)壓力0.5～1.0)存在的滯后環(huán)表明NC-1樣品含有豐富的介孔[13]。從孔徑分布分析也可以得出同樣的結(jié)論(圖3b)，這可能是由于炭化過程中K2CO3熱解產(chǎn)生K2O和CO2，對(duì)樣品有活化作用產(chǎn)生大量的介孔。所有樣品的孔結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示，從表1中可以明顯看出采用兩次活化制備的氮摻雜竹活性炭材料在各項(xiàng)數(shù)據(jù)上均優(yōu)于BC-1樣品，炭化過程不僅使樣品的比表面積增大，而且平均孔直徑最大增加了56.7%(NC-3)，反映出樣品中存在一定量的介孔，這與圖2的結(jié)論相吻合。

a. BC與NC-1樣品的吸附-脫附BET比表面積對(duì)比圖 b. BC與NC-1樣品的孔徑分布圖(微孔與介孔)圖3 不同炭材料的氮?dú)馕?脫附等溫曲線及孔徑圖Fig. 3 Nitrogen adsorption-desorption isotherms and pore characteristic images of different carbon samples

表1 氮摻雜多孔炭材料比表面積及孔徑數(shù)據(jù)Table 1 The specific surface area and pore characteristic of nitrogen-doped pore carbon materials

圖4 竹多孔炭材料的XRD圖與拉曼光譜圖Fig. 4 The XRD spectra and Raman spectra of bamboo carbons

從X射線衍射(XRD)圖譜(圖4a)中可以看出，純竹活性炭樣品(BC-1)與氮摻雜竹活性炭(NC-1)樣品的兩條曲線相似且在23.7°和43°附近均出現(xiàn)了衍射峰，分別對(duì)應(yīng)(002)與(100)衍射峰[8]。其中，(002)衍射峰為低石墨化程度的典型特征峰，證明兩類材料均具有微石墨化結(jié)構(gòu)，有助于在充放電過程中電荷的轉(zhuǎn)移。此外，衍射角度(2θ)在<10°時(shí)衍射強(qiáng)度均較強(qiáng)，表明兩類材料中均含有大量的納米級(jí)微孔。同樣，在拉曼光譜圖(圖4b)中1 339和1 595 cm-1位移處存在2個(gè)明顯的石墨碳特征峰，分別對(duì)應(yīng)D峰(表征碳原子的晶格缺陷)與G峰(表征sp2雜化碳原子的面內(nèi)伸縮振動(dòng))，ID/IG的強(qiáng)度比值一般用于表征樣品的石墨化程度[8,14]。BC-1、NC-0.5、NC-1、NC-2、NC-3樣品的ID/IG比值分別為1.14，1.22，1.24，1.22和1.37，表明氮摻雜竹活性炭樣品中具有大量的缺陷和一定的石墨化程度，這可能是由于炭化過程(預(yù)活化)時(shí)K2CO3的存在以及KOH的活化作用，導(dǎo)致氮摻雜竹炭樣品孔結(jié)構(gòu)缺陷增加，主要表現(xiàn)為介孔的增加。

為了研究樣品中氮元素的含量和所處的化學(xué)環(huán)境，對(duì)NC-1樣品進(jìn)行X射線衍射測(cè)試，結(jié)果如圖5與表2所示。NC-1樣品的X射線光電子能譜圖(XPS)如圖5a所示，可以明顯地觀察到位于285，400和533 eV附近存在3個(gè)特征峰，分別對(duì)應(yīng)于C、N和O 3種元素[15]。圖5b和c分別為C1s(285 eV)與O1s(533 eV)的XPS能譜擬合峰，C元素與O元素的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為92.86%和4.65%。對(duì)N1s特征峰曲線進(jìn)行分峰擬合，進(jìn)一步分析氮元素的含量和類型，結(jié)果如圖5d所示。NC-1樣品中氮元素含量高達(dá)2.2%，其在多孔炭材料中存在的類型主要有4種，分別為N-1(吡啶型氮，398.3 eV)、N-2(吡咯型氮，399.6 eV)、N-3(醌式氮，400.7 eV)與N-4(氧化氮，403.1 eV)[16]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[16]，N-1 和N-2有利于提高材料表面的親水性，N-3存在于材料二維平面或基體偏內(nèi)部，π-π共軛，為一種穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)，通常能減少材料的阻抗，實(shí)現(xiàn)電子在內(nèi)部的快速轉(zhuǎn)移。以上3種類型的氮均可在充放電時(shí)與電解液發(fā)生氧化還原反應(yīng)，貢獻(xiàn)一部分贗電容。綜上所述，氮元素成功摻雜于多孔炭材料中，有利于提高竹炭材料的電化學(xué)性能。

表2 NC-1樣品各元素(C、N、O、H)含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))及 不同含氮官能團(tuán)比例Table 2 The content of elements (C, N, O, H) and the different proportions of nitrogen in NC-1

圖5 NC-1樣品的X射線光電子能譜圖Fig. 5 X-ray photoelectron spectroscopy of NC-1

2.2 氮摻雜竹基多孔炭材料電化學(xué)性能分析

將樣品組裝成三電極利用電化學(xué)工作站進(jìn)行測(cè)試。三電極體系下4種樣品在10 mV/s掃描速率下CV曲線如圖6a所示，從圖6a中可以看出所有CV曲線擁有良好的對(duì)稱性并呈近似矩形，表明樣品具有雙電層電容特性；另外每個(gè)樣品的CV曲線在低電勢(shì)窗口均出現(xiàn)了明顯的寬峰，表明充放電過程中含氮基團(tuán)與電解液之間發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生額外的贗電容。其中NC-1的CV曲線面積最大，表明該樣品具有最優(yōu)異的電容性能。NC-1在5～100 mV/s掃描速率下的CV曲線如圖6b所示，從圖6b中可以清楚地觀察到NC-1樣品在100 mV/s的掃描速率仍能保持良好的對(duì)稱性和近似矩形，表明其具有較小的等效串聯(lián)電阻、快速的離子響應(yīng)速率以及良好的倍率性能，此外，增大掃描速率后氧化還原峰依然存在，表明充放電時(shí)含氮官能團(tuán)穩(wěn)定性較高。

圖6 不同樣品的循環(huán)伏安曲線Fig. 6 The CV curves of different samples

a.BC-1與NC-X樣品在1A/g電流密度下恒流充放電圖；b.不同電流密度下NC-1樣品的恒流充放電曲線；c.低電流密度(0.2 A/g)下 NC-1樣品的恒流長(zhǎng)放電曲線；d.不同樣品在不同電流密度下的比電容量；e.不同樣品的電化學(xué)阻抗譜圖；f.不同樣品的電化學(xué)伯德圖。圖7 三電極系統(tǒng)樣品電化學(xué)性能Fig. 7 The electrochemical performance of samples under three-electrode system

竹活性炭材料的GCD曲線與EIS圖譜及其各項(xiàng)電化學(xué)性能如圖7所示。各樣品在1 A/g電流密度下的GCD曲線如圖7a所示，彎曲的恒流充放電曲線表明氮摻雜竹炭材料并非呈典型的雙電層電容器特性，還存在額外的贗電容。多孔炭材料中摻雜有氮元素，吡啶型氮與吡咯型氮的存在一定程度上增強(qiáng)了表面的親水性，另外通過吸引質(zhì)子或在空間電荷密度加強(qiáng)醌式氮結(jié)構(gòu)的氧化還原反應(yīng)，引入額外穩(wěn)定的贗電容，最直觀的表現(xiàn)為電化學(xué)性能的提升。BC-1、NC-0.5、NC-1、NC-2、NC-3的比電容量分別為120，203，224，200和181 F/g，其中NC-1樣品具有最優(yōu)異的比電容量，這可能是其具有較大的比表面積、合適的孔徑比例及結(jié)構(gòu)、較好的內(nèi)部缺陷以及氮摻雜綜合影響的結(jié)果。NC-1樣品在不同電流密度下的GCD曲線如圖7b所示，當(dāng)電流密度小于10 A/g時(shí)曲線不存在明顯的電壓降，表明NC-1具有較小的內(nèi)部電阻。圖7c可以明顯地觀察到在0.2 A/g電流密度下，NC-1樣品的恒流充放電曲線并非對(duì)稱的三角形，當(dāng)電位為-0.3和-0.7 V時(shí)出現(xiàn)了明顯的彎曲，表明氮摻雜竹炭材料在充放電時(shí)存在氧化還原反應(yīng)。這歸因于當(dāng)電流較小時(shí)，一方面材料擁有足夠的時(shí)間和空間距離進(jìn)行電子傳輸和離子擴(kuò)散，此時(shí)含量豐富的微孔被最大程度利用；另一方面摻雜于多孔炭材料中的氮元素?fù)碛懈渥愕臅r(shí)間發(fā)生更多氧化還原反應(yīng)并且增加材料的親水性，該現(xiàn)象充分表明氮元素?fù)诫s于多孔炭材料中有利于提高竹活性炭材料的電化學(xué)性能。隨著電流密度的增加比電容緩慢下降(圖7d)，而在大電流密度下比電容大幅度下降，其中BC-1的電容保持率為54.8%，與NC-0.5(80.2%)、NC-1(83.7%)、NC-2(75%)與NC-3(72.5%)的電容保持率有較大的差距。這是由于兩次活化使NC-x樣品均具備一定比例的介孔和大孔，為離子在大電流密度的儲(chǔ)存和傳遞提供了通道，另外材料的贗電容也有利于維持高電容保持率。在0.01～10 000 Hz頻率范圍內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行電化學(xué)阻抗測(cè)試(圖7e和f)，在高頻區(qū)域NC-1的尼奎斯特曲線與實(shí)軸的垂直程度明顯優(yōu)于其他樣品，表明其具有較好的離子擴(kuò)散能力[17]。低頻區(qū)域?yàn)椴牧蠘悠返刃Т?lián)電阻(RESR)與接觸電阻(Rs)的特性曲線，其中BC-1、NC-0.5、NC-1、NC-2、NC-3的Rs分別為0.62，0.37，0.16，0.42和0.46 Ω，其中NC-1的接觸電阻最小，表明該樣品具有優(yōu)異的離子擴(kuò)散性能，這與高頻區(qū)域的尼奎斯特曲線相吻合。電化學(xué)阻抗伯德曲線用于評(píng)價(jià)炭材料的充放電性能(圖7f)，曲線向高頻區(qū)域偏移程度越大表明其電化學(xué)性能越優(yōu)異[18]。BC-1、NC-0.5、NC-1、NC-2、NC-3的弛豫時(shí)間(τ0)分別為6.2，3.4，1.9，5.0 和3.7 s，表明NC-x樣品的倍率性能均優(yōu)于BC-1，且τ0值與電容保持率的規(guī)律相吻合(表3)。

表3 樣品電化學(xué)阻抗各項(xiàng)數(shù)據(jù)Table 3 Various electrochemical impedance spectroscopy (EIS) data of bamboo porous carbons

為了研究超級(jí)電容的循環(huán)穩(wěn)定性，在10 A/g電流密度下對(duì)NC-1樣品進(jìn)行5 000次長(zhǎng)循環(huán)充放電測(cè)試，結(jié)果圖8所示。超級(jí)電容器在長(zhǎng)循環(huán)充放電過程中比電容在合理的范圍內(nèi)輕微波動(dòng)，首次充放電比電容量為180 F/g，循環(huán)充放電5 000次后樣品的比電容量保持率高達(dá)93%，具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。可以發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)循環(huán)充放電后NC-1的電壓降不存在明顯變化，說明材料內(nèi)阻沒有發(fā)生顯著變化，并且GCD曲線與首次充放電同樣具有近三角形，表明NC-1電極在大電流且長(zhǎng)循環(huán)后依然存在贗電容，其穩(wěn)定性良好。

圖8 NC-1樣品在10 A/g電流密度時(shí)的循環(huán)穩(wěn)定性Fig. 8 Cyclic stability of NC-1 at 10 A/g current density

3 結(jié) 論

1)筆者以竹炭為前驅(qū)體，與三聚氰胺和碳酸鉀混合后進(jìn)行球磨，經(jīng)炭化和活化過程成功制備了富氮竹活性炭電極材料。測(cè)試結(jié)果表明，由于兩次活化，NC-1樣品表現(xiàn)出高達(dá)1 984.4 m2/g的比表面積和較為合理的孔隙結(jié)構(gòu)，多孔炭材料中氮元素含量高達(dá)2.20%。這將有利于活性炭的雙電層效應(yīng)，改善了表面的親水性，增加了材料的贗電容。

2) 電化學(xué)性能測(cè)試表明，NC-1樣品在1 A/g電流密度下質(zhì)量比電容高達(dá)224 F/g，與對(duì)比樣(BC-1，120 F/g)相比提高了86.7%；即使在50 A/g大電流密度下，NC-1的質(zhì)量比電容高達(dá)144 F/g。在10 A/g電流密度下經(jīng)5 000次循環(huán)充放電后NC-1仍可達(dá)到93%的電容保持率，循環(huán)穩(wěn)定性較為優(yōu)異。本研究中的工藝可以有效調(diào)控炭材料的孔隙并在多孔炭材料中摻雜氮元素，對(duì)其他生物質(zhì)材料在超級(jí)電容器領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。