韩国科学家用废弃香烟过滤嘴制备超级电容器

刘兰兰

许多实验室工程纳米材料迄今还不能作为超级电容器电极的合适替代材料。但是，答案也许就在离你最近的烟灰缸里。就是这样，备受鄙视的烟头事实上就提供了解决方案。韩国首尔国立大学的一组研究人员已经发现废弃烟头的组成材料的储能性能要优于碳、石墨烯和碳纳米管。

研究人员在《纳米技术》期刊上发表了其研究成果，他们采用的是废弃香烟过滤嘴，并发现含氮气氛下，有可能转化成本身具有微孔结构的多孔碳材料，非常适合超级电容器电极的储能。超级电容器，也被称为电化学双层电容器(EDLCs)，能够储存的能量与电化学电池（例如锂离子电池）相当，可在几秒钟的时间内完成充电，并具有较高功率密度，能够进行大能量的快速脉冲。目前，利用超级电容器此功能的应用如起重机或公共汽车。

用烟头制备超级电容器最吸引人的方面或许是废弃过滤嘴的来源看似是无穷的。据该研究发布的新闻稿，估计每年有56000亿或766571吨废弃香烟被丢弃。如果可以利用烟头制备超级电容器电极，这样就能完全耗尽废弃的烟头，为人们找到一种消除已发现烟头带来的危害的方式。

首尔国立大学的Jongheop Yi教授，也是该研究的作者，在新闻发布会上说：“我们的研究表明通过简单的一步处理方法可以将废弃香烟过滤嘴转化为高性能碳基材料，同时为满足社会的能源需求提供了一种绿色解决方案，许多国家正在制定严格的规定以避免每年丢弃到环境中的数万亿有毒的不可生物降解的二手香烟过滤嘴，我们的方法是实现这一目标的一种方式。”

这种新材料具有超级电容器电极存储材料应有的理想关键特性。它具有较大的表面积，但也许更重要的是，该材料孔径分布较好，这使得它能够利用大量的电解离子，并且具有快速的离子传递迁移性。该材料优于石墨烯，由于石墨烯的离子传递迁移性对超级电容器电极看似非常有吸引力，但在表面积方面却比不上活性炭。

Yi在新闻稿中说：“一种高性能的超级电容器材料应具有很大的表面积，可以通过使材料含有大量小孔来实现，不同孔径的组合确保该材料具有较高的功率密度，这是实现超级电容器快速充电和放电的基本属性。”研究人员报告的一步法为通过在含氮气氛下对废弃香烟过滤嘴进行热处理制备氮掺杂介孔/微孔复合碳材料（NCF），图1是废弃香烟过滤嘴热分解法制备NCF的制备过程简图。废弃香烟过滤嘴主要由纤维素乙酸酯纤维构成，可以转化为同时包含介孔和微孔的多孔碳材料。该独特的自主研发的孔结构为电解质渗透和接触机率提供了有利途径，从而提高超级电容器的倍率性能。NCF在1 A/g表现出了较好的倍率性能，相比于传统的活性炭（125.0 F/g）也具有较高的比电容（153.8 F/g）。这些结果表明生长良好的介孔/微孔、增大的表面积和赝电容性的协同组合会促成期望的超级电容性能。所制备的碳材料能够在充电和放电测量所需的6000次循环过程中重现其电化学性能。

图1 废弃香烟过滤嘴热分解法制备NCF的制备过程简图

由于活性炭粒子共存于作为Marlboro Light Gold和The One Orange吸附剂的全部过滤嘴的一半，所以只使用了过滤嘴的另一半，以便排除预载活性炭的影响，从而保证电极材料的精确表征。CF和NCF是由过滤嘴分别在Ar和NH3气氛下900℃制备2 h而成的。加热速率控制在5℃/min。每个品牌相等数量的过滤嘴用于制备这种材料。在碳化处理前，没有对香烟过滤嘴进行预处理，以便尽量减少制造步骤和超级电容器电极的生产成本。制备了香烟过滤嘴原质量1/8～1/10质量比的CF和NCF。MSP-20作为活性炭（AC）。通过凝胶-水热法合成无修饰的TiO2，并且在与NCF相同的条件下，通过对无修饰的TiO2进行后处理合成氮掺杂的TiO2。

使用高分辨率的透射电子显微镜（HR-TEM，JEOL，JEM-3010） 和扫描电子显微镜 （SEM，Carl Zeiss，SUPRA 55VP）表征CF的表面形貌。用X射线光电子光谱法（XPS，Kratos，AXIS-HSI） 来研究所制备样品的元素种类和结合状态。用X射线衍射仪（XRD，Rigaku，D/max-2500/PC）来确定复合材料的结晶和元素结构，以Cu Kα 衍射（波长=0.154 nm）作为辐射源，入射光束电压为50 kV、电流为100 mA。用Micromeritics ASAP 2010仪测量N2吸附脱附等温线。用布鲁诺尔-埃米特-特勒（BET）法计算比表面积。用巴雷特-乔伊涅-海德林（BJH）法从等温线脱附分支得出孔体积和孔径分布。在空气中，10℃/min加热速率条件下，基于从热重分析仪(TGA,Versa Therm,Thermo Scientific)获得的数据计算杂质的质量比。用 C、H、N、S分析仪（CHNS 932，LECO）确定NCF中氮的含量。用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES,Shimadzu,JP/ICPS-7500）进行体相元素分析。图2为NCF和废弃香烟过滤嘴的照片、SEM和HR-TEM图。使用了标准三电极体系，即KCl、饱和Ag/AgCl为参比电极和铂电极。将活性材料（NCF、CF和AC）与作为粘合剂和碳添加剂（ketjenblack ECP-600JD,KB）的聚四氟乙烯（PTFE，Aldrich） 混合，混合质量比为8∶1∶1。将混合物涂覆在1 cm×1 cm的泡沫镍上，作为集流体。包覆电极材料后，工作电极在120℃真空条件下被施压并干燥12 h。

图2 NCF和废弃香烟过滤嘴的照片、SEM和HR-TEM图

室温下，在6.0 mol/L KOH电解液中进行了分析。在电化学工作站进行循环伏安法（CV）和恒流充放电测量。在电压变化范围为-0.8～0 V、扫描速率为5～100 mV/s的条件下记录了循环伏安曲线。通过改变电流密度（1.0～10 A/g）与电位窗口（-0.8～0 V）进行恒电流充放电测试。在电化学工作站上进行了电化学阻抗谱（EIS） 的测量。阻抗谱的频率范围为20 mHz～200 kHz，施加的电势为-0.4 V，交流幅值为10 mV。

采用一步法用废弃香烟过滤嘴合成了氮掺杂的介孔/微孔复合碳材料。电化学测量结果表明，NCF和CF的孔结构特征可以保证有效的离子迁移。此外，也表明了氮掺杂NCF的结果即电解质离子和氮掺杂剂之间的赝电容反应提高了比电容。因此，研究人员得出的结论是对于香烟过滤嘴制备的超级电容器电极的进一步研究在商用电器设备领域是必要的，并且可以减轻环境负担。