活性炭制备及双电层电容器性能研究*

陈锦连，伍宝珊，梁翠媚，李佳怡，陈星阳，周建敏

（广东石油化工学院 化学工程学院，广东 茂名 525000）

活性炭制备及双电层电容器性能研究*

陈锦连，伍宝珊，梁翠媚，李佳怡，陈星阳，周建敏*

（广东石油化工学院 化学工程学院，广东 茂名 525000）

以葡萄糖为原料，采用KOH活化法制备具有高比表面积的活性炭，并用这个电极材料组装制成双电层电容器。通过扫描电子显微镜（SEM）、交流阻抗、X射线衍射（XRD）、恒流充放电和循环伏安（CV）等方法研究了该材料的电化学性能、表面形态和结构等。结果表明，所制备的材料电容器的电流为1A，比电容为156F·g-1，它在1mol·L-1KOH的水系电解液中显示较好的电容性能，具有较高应用前景。

葡萄糖；活性炭；双电层电容器

双电层电容器以无环境污染、大功率、长寿命等优点受到广泛的关注和研究[1]。炭纤维、活性炭、碳纳米管、炭气凝胶为双电层电容器的主要电极材料。活性炭具有便宜的价格、高储电容量、比表面积大等优点，这种双电层电容器材料是非常有前景的[2]。而且葡萄糖含碳量很高，是制备活性炭的优选材料，具有很大的应用前景和研究价值。

利用KOH活化造孔是一种效率很高的活性炭制备方法[3]。在温度很高的条件下，保护碳粉能够氧化生成许多的CO2，能够有效的隔绝外界的氧气进入坩埚里面与活性炭发生反应，则达到了提高活性炭生产的效率[4]。本文用石油焦碳粉保护方法制备葡萄糖基活性炭，而且对其双电层电容器的性能展开深入的研究。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

葡萄糖、KOH、60%PTEF溶液、高纯氮气、无水乙醇、盐酸。

电化学工作站；粉碎机；高温管式炉；抽虑机；磁力搅拌器；真空干燥箱；纽扣电池液压器；三电极电解池；超声波清洗机和电子天平各1台；扣式电池壳；弹簧片隔膜纸；Pt电极；垫片；氢电极。

1.2 实验步骤

1.2.1 材料的制备 我们选择了典型的KOH活化法，用于从葡萄糖驱动的碳前体中产生活性炭。

（1）活性炭前驱体的制备 10g葡萄糖用40mL去离子水溶解，后转移到一个50mL聚四氟乙烯衬里的不锈钢高温高压合成釜，然后维持在180℃，4h。热液产品进一步放置在陶瓷坩埚（含盖）在400℃的马弗炉内加热1h。

（2）活化造孔制备活性炭 一定数量的前驱体混合KOH（1∶2，w/w）去离子水形成均匀的浆，然后将碳浆放进含盖子的镍容器，把装有碳浆的镍容器放进不锈钢盒子，盖上石油焦炭粉（100目）。后在以2℃·min-1为升温速率的保护系统中加热到800℃并在马弗炉中放置1h。待冷却后，用2倍的HCL和去离子水清洗，洗净后在真空中烘干。

1.2.2 电极制备 分别称取5.0mg的活性炭产品，加入60%的PTFE溶液约0.83g和乙醇800μL，于磁力搅拌器搅拌30min形成均匀分散液。后加热至大部分乙醇蒸发，此时炭产品聚集类似胶团团状物。把湿润微热的炭团放置在干净平板上，用玻璃圆杆将其压成片状，厚度与白纸相近（图1）。后将其裁剪成合适大小的圆（图2）。于烘干机70℃烘干24h，得电极片。

图1 裁剪前炭片Fig.1 Carbon sheet before cutting

图2 裁剪后炭片Fig.2 Carbon sheet after cutting

1.2.3 纽扣电池制备前准备 扣式电池壳用乙醇清洗并浸泡15min，用脱脂棉花擦干，于烘干机烘干24h，待用。

称取20组重量相近的电极片，每组两片，待用。

1.2.4 纽扣电池组装 正极壳开口向上，平放与面板上，滴两滴电解液在电机壳中心处，正极片置入正极壳，再次滴加电解液至电极片被完整均匀湿润。后取隔膜覆盖正极片，滴加滴加电解液至隔膜被完整均匀湿润，夹取另一片电极片与隔膜正中，覆上垫片与弹簧片，稍加电解液使其完全湿润，最后盖上负极电机壳。后用纽扣电池液压器压制1min。

1.2.5 性能测试 利用三电极体系作电化学的测试。以Pt片电极为对电极，碳电极为工作电极，氢电极作为参比电极，电压范围一般为0.0～1.1V，电解液为开始配置的1mol·L-1KOH溶液。循环伏安扫描速率分别为 100、200、300mV·s-1。恒流充放电的电流密度分别为 1、2、3A。

2 结果与讨论

2.1 电极材料结构的分析

图3的XRD图谱为该活性炭样品，属于典型的活性炭XRD图谱。

图3 活性炭的XRD衍射图Fig.3 XRD pattern of activated carbon

由图谱可看出，在15°～30°间有一个宽峰，为碳材料002衍射峰，43°左右有一个峰101峰，两峰强度都比较弱，证实了活性炭的无定形结构是正确的。图谱在0°～15°间有个上滑的曲线，体现活性炭具有多孔结构这一特性。

图4为活性炭的扫描电镜图。

图4 活性炭的SEM图片Fig.4 SEM images of activated carbon

由图4可见，（A）为低倍率的活性炭照片，图4（B）为高倍率的活性炭照片。由这两张图片可以看出，经过高温的条件下KOH的活化，活性炭呈现出块状，其表面也出现了很多孔，令活性炭具有孔洞化和高比表面积，因此这活性炭可能具有比较强的储电能力。

2.2 电极材料电化学性能测试

图5为活性炭电极的循环伏安曲线。

图5 活性炭电极的循环伏安曲线Fig.5 Cyclic voltammetry curves of activated carbon electrodes

由图5可以明显看出，在100～300mV的电压下，活性炭循环伏安曲线都具有比较高的;“矩形度”，没有特别明显的还原峰，电容器随着电压的增大，矩形的面积也随着增大，就算到达300mV的高扫描速率下，虽然会有一点点变形，但是依然保持比较好的矩形度，所以这个电极材料具有理想的功率特征。在循环过程中，电压随着电流的变化可以反应出电容器的基本特性（例如可逆性、容量、功率特征等等）。通常来说，活性炭的循环伏安曲线的“矩形度”越大，电极材料的可逆性就越高，电极材料的电容性能越好[5]。

图6为活性炭电容器分别不同电流密度（1、2和3A·g-1）下充放电曲线图。

图6 活性炭电极在不同电流密度下的充放电曲线Fig.6 Charge and discharge curves of activated carbon electrodes at different current densities

由图6可以看出，在充放电电压为0～1.1V条件下，图中3条曲线都是近似的等腰三角形，具有比较高的对称性，说明了材料具有良好的可逆性和较高的充放电效率。据以下比电容量的公式（1），可算得1～3 A电流密度下的电容量分别为156、137、112F·g-1。

式中 CT：电容器中两极片的串联总电容，F；I：测试电流，A；△t：放电时间，s；△V：起始电位和终止电位之差，V；Cs是单电极比容量，F·g-1；m1、m2：两个极片的活性物质质量。

3 结论

本论文以葡萄糖为原料运用KOH活化法制备活性炭，而且研究了活性炭的性能和特性。根据材料表征结果：用此KOH活化法制备的活性炭电化学性能可以知道恒流充放电法下测得该产品电极的比电容在1mol·L-1KOH水系电解液中1A·g-1电流密度下高达 156F·g-1。

［1］ 王国庆.双电层电容器发展现状及前景［J］.电子元件与材料,2000,19（1）：38-39.

［2］ 李泽胜,李泊林,刘志森,等.氮掺杂多孔碳微球的制备与超级电容器性能测试--一个研究型物理化学实验的设计［J］.广东化工,2016,13：27-28.

［3］ 解立平,林伟刚,杨学民.废弃物基活性炭吸附性能的影响因素［J］.新型炭材料,2006,21（2）：156-160.

［4］ 魏亮,吴有智,王海燕,等.多孔聚苯胺/乙炔炭黑复合物的制备及其超级电容特性［J］.化工新型材料，2012，40（10）：40-41.

［5］ 梁琪君,刘绍康,杨成相,等.夏威夷果壳活性炭制备及双电层电容器性能研究［J］.合成材料老化与应用,2017,46（1）：14-17.

［6］ 徐鑫,李泽胜,钟华文,等.超级电容器用聚苯胺/炭黑复合材料的研究［J］.合成材料老化与应用,2015,（5）：63-67.

［7］ 陈俊蛟,黄英,黄海舰.超级电容器电极材料研究进展［J］.材料开发与应用,2015,30（1）：90-95.

［8］ 李涛,夏友付.多孔碳化聚苯胺纳米片的制备及其性能研究［J］.化工新型材料,2014,42（1）：62-64.

Study on the preparation of activated carbon and the properties of double layer capacitors*

CHEN Jin-lian，WU Bao-shan，LIANG Cui-mei，LI Jia-yi，CHEN Xing-yang，ZHOU Jian-min*
（Chemical Engineering College of Guangdong Petrochemical University，Maoming 525000，China）

Using glucose as raw material,activated carbon with high specific surface area was prepared by KOH activation method and assembled with this electrode material.The electric double layer capacitor is made.The electrochemical properties,surface morphology and structure of the materials were studied by scanning electron microscopy（SEM）,AC impedance,X-ray diffraction（XRD）,constant current charge discharge and cyclic voltammetry（CV）.The results show that the current of the material capacitor is 1A,the specific capacitance is 156F·g-1,it shows better capacitance performance in 1mol·L-1KOH aqueous electrolyte,and has high application prospect.

glucose；activated carbon；electric double layer capacitor

TM242

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20171120

2017-09-05

广东石油化工学院2017年大学生创新创业校级培育计划项目（2017pyC008）

周建敏（1965-），女，河北抚宁人，汉族，硕士，教授，主要研究方向：从事水处理、催化、电化学及材料方面的研究等。