红薯基活性炭的制备及其电性能表征

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(苏州大学物理与光电能源学部，江苏 苏州 215006)

1 前 言

活性炭是一种疏松多孔的碳材料，它具有良好的导电性及化学稳定性、高比表面积、可调整的孔径结构而被广泛应用于石化、电化学、食品、环保等领域[1-3]。制备活性炭的原材料多种多样，薛广钊等[4]以稻壳为原料制备了比表面积2174.09m2/g的活性炭材料；宋永辉等[5]活化兰炭末制得的活性炭碘吸附值达733.482mg/g；Abdulhakeem Bello等[6]以松果壳为原料制得比表面积为1515m2/g的活性炭材料。除了原料的多样性，制备活性炭的活化方法也有多种，大致分为物理活化法、化学活化法及物理化学耦合活化法等[7-8]。

本研究选取产量丰富的生物质材料红薯淀粉制备活性炭，分别考察了CO2及KOH活化法的活化温度、时间等对材料孔结构及比表面积的影响，并结合扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、比表面积分析仪等测试方法对其进行测试和表征，最后将得到的较高比表面积的活性炭材料用作超级电容器的电极材料，并测试其电化学性能。实验结果表明，KOH活化法在碳碱比为1∶3、活化温度为800℃、活化时间为5h时所得活性炭比表面积最高，可达1590m2/g，介孔率为20.3%；CO2活化法在800℃、活化2h时所得活性炭比表面积较高，为1054m2/g，介孔率可达62.0%。将两组活性炭材料用作超级电容器电极材料时，以6M KOH作电解质，在5A/g的电流密度下，两者的比电容量分别为143F/g和187F/g。

2 实验部分

2.1 实验原料和仪器

KOH、盐酸、酒精，分析纯；PTFE水溶液，60%；导电炭黑，镍网。

OTF-1200X 型管式电阻炉； BSA224S-CW型电子分析天平；DZF-6050型真空干燥箱。

2.2 红薯淀粉的碳化与活化

预处理：新鲜红薯在沸水中煮2h，之后冷冻干燥，研磨成粉。

碳化：将得到的红薯粉在管式炉中250℃(3℃/min的升温速率)通空气预氧化2h，之后在900℃(升温速率5℃/min)、氩气氛围中碳化2h。材料编号记为SPSC。

KOH活化：将碳化后的材料按碳碱质量比1∶3混合均匀，之后转移到高温管式炉中，在氩气氛围中，800℃下分别活化2h和5h。活化后的材料用1M HCl溶液洗涤、离心、真空干燥。材料编号记为SPSC-KOH-2h、SPSC-KOH-5h。

CO2活化：将碳化后的材料在高温管式炉中通CO2气体，分别在800℃中活化1h、2h，材料编号记为SPSC-CO2-1h、SPSC-CO2-2h。

2.3 电化学测试

循环伏安测试(CV)用CHI 760B型电化学工作站测试；恒流充放电测试用LAND电池测试系统。

超级电容器电极制备：按8∶1∶1的质量比称取活性炭、导电炭黑、PTFE，加入酒精超声分散混合均匀，待其干燥将浆料压制(10MPa)在镍网上，之后100℃真空干燥24h。

电极测试：用以上制备的活性炭电极作工作电极、铂丝电极作对电极、Hg/HgO电极作参比电极、6M KOH作电解质在三电极体系测试。CV测试及恒流充放电测试电压区间为-0.9～0V。

2.4 分析与表征

样品微观形貌用SU8010型扫描电子显微镜测试；物相用Rigaku D/MAX-IIA型X射线衍射仪测试；氮气吸附脱附曲线及比表面积用ASAP2020型比表面积及孔隙分析仪测试。

3 结果与讨论

3.1 红薯基活性炭的孔结构特征

图1所示分别为SPSC、SPSC-KOH-2h和SPSC-KOH-5h的N2吸附脱附曲线图。测试结果显示三种材料均具有IV型吸附等温线典型的特征。在相对压力较低的阶段，SPSC-KOH-2h/5h的吸附量快速增加，这说明有大量微孔的存在，尤以SPSC-KOH-5h最为明显；在相对压力为0.45～0.85的范围，三段曲线的斜率依次增加，这说明随着活化时间的延长，材料中开始有一定比例的介孔存在[9]。图2所示为上述三种材料的孔径分布曲线图，由图可知，三种材料的孔径在小于2nm及4nm处均有分布，并且峰的高低随着活化时间的延长而明显增大，这和图1的结果是一致的。

图1 SPSC、SPSC-KOH-2h和SPSC-KOH-5h的氮气吸附/脱附等温线图Fig.1 N2 adsorption-desorption isotherms of SPSC, SPSC-KOH-2h, and SPSC-KOH-5h

图2 SPSC、SPSC-KOH-2h和SPSC-KOH-5h的孔径分布曲线Fig.2 Pore size distribution curves of SPSC, SPSC-KOH-2h, and SPSC-KOH-5h

图3 SPSC、SPSC-CO2-1h和SPSC-CO2-2h的氮气吸附/脱附等温线图Fig.3 N2 adsorption-desorption isotherms of SPSC, SPSC-CO2-1h and SPSC-CO2-2h

图4 SPSC、SPSC-CO2-1h和SPSC-CO2-2h的孔径分布曲线Fig.4 Pore size distribution curves of SPSC, SPSC-CO2-1h and SPSC-CO2-2h

图3所示分别为SPSC、SPSC-CO2-1h和SPSC-CO2-2h的N2吸附脱附曲线图。图示结果类似于图1，不同之处在于，在相对压力0.45～0.85阶段，SPSC-CO2-1h/2h的吸附量增加更快，这说明这两种材料有更高的介孔率。图4孔径分布图显示，SPSC-CO2-1h/2h在4nm处介孔的数量远远超过小于2nm的微孔数量，这进一步证明了CO2活化后高比例介孔的存在。

表1列出了不同活化条件下活性炭孔结构参数的具体数值。SPSC的BET比表面积为529m2/g，平均孔径为2.29nm，经过KOH活化2h、5h后，平均孔径分别增加到2.35nm、2.50nm，比表面积分别增加到1127m2/g、1591m2/g，介孔贡献率分别为23.7%、20.3%；而经过CO2分别活化1h、2h后，平均孔径分别增加到2.72nm、3.04nm，比表面积分别增加到760m2/g、1054m2/g，介孔贡献率分别为50.8%、62.0%。

表1 各活性炭材料的孔结构参数

注：SBET，BET比表面积；Smicro，微孔比表面积；Smeso，介孔比表面积；Daver，平均孔径。

3.2 活性炭的显微结构

图5所示分别为SPSC、SPSC-KOH-5h和SPSC-CO2-2h的SEM形貌图。对比三种材料在80K下的电镜照片可知，SPSC表面孔分布不明显，SPSC-KOH-5h表面已经有一部分介孔出现，而SPSC-CO2-2h表面孔结构非常发达，大多为介孔。SEM图表明，活化后的碳材料介孔数量明显增加，同时CO2活化法效果更加明显，这和N2吸附脱附曲线图所示结果一致。

图5 SPSC、SPSC-KOH-5h和SPSC-CO2-2h的扫描电镜照片Fig.5 SEM micrographs of SPSC, SPSC-KOH-5h, and SPSC-CO2-2h

3.3 活性炭的XRD谱比较

图6 SPSC、SPSC-KOH-5h和SPSC-CO2-2h的XRD图谱Fig.6 XRD patterns of SPSC, SPSC-KOH-5h, and SPSC-CO2-2h

图6分别为SPSC、SPSC-KOH-5h和SPSC-CO2-2h的XRD图谱。三种碳材料在22～28°范围内均有一个宽化的衍射峰，这说明几种碳材料都是无定型态的；在低角度(10～20°)范围内，SPSC-KOH-5h和SPSC-CO2-2h的衍射强度明显强于SPSC，说明经活化后的碳材料有更加丰富和发达的孔结构[10]。

3.4 活性炭的电化学性能

3.4.1恒流充放电性能 双电层电容器是一种新型储能装置，具有充电时间短、寿命长、环保等优点[11]。图7分别是SPSC、SPSC-KOH-5h和SPSC-CO2-2h作为超级电容器电极材料在5 A/g的电流密度下恒流充放电曲线。由图可知，三种材料的恒流充放电曲线均近似为等腰三角形，说明其具有典型的双电层电容器特征。另外，相同电流密度下，充放电时间的长短可以反映比电容量的大小，由图可知，三者充放电时间大小排序为SPSC-CO2-2h> SPSC-KOH-5h>SPSC，说明比电容量的大小排序亦如此。在5A/g的电流密度下，计算出三者的比电容量分别为187F/g、143F/g和97F/g。SPSC-CO2-2h具有较高比电容量的原因在于其具有较高比表面积的同时，还有较高的介孔率。

图7 SPSC、SPSC-KOH-5h和SPSC-CO2-2h电极在5 A/g电流密度下的恒流充放电曲线Fig.7 Galyanostatic charge-discharge curves of SPSC, SPSC-KOH-5h, and SPSC-CO2-2h electrode at a current density of 5 A/g

3.4.2循环伏安特性 图8分别是SPSC、SPSC-KOH-5h和SPSC- CO2-2h作为超级电容器电极材料在5mV/s扫速下的循环伏安曲线。由图可知，三种材料的CV曲线都近似为矩形，没有明显的氧化还原峰，且对称性较好，说明三种电极材料具有较好的充放电可逆性及典型的双电层电容器特征。在一定的扫描速率下，CV曲线所围面积可以直观反映比电容量的大小，由图可知三者CV曲线围成的面积大小排序为SPSC-CO2-2h>SPSC-KOH-5h>SPSC，说明CO2活化后的材料具有更高的比电容量，这和恒流充放电所得的结果一致。

图8 SPSC、SPSC-KOH-5h和SPSC-CO2-2h电极在5mV/s的扫速下的CV曲线图Fig.8 Cyclic voltammograms of SPSC, SPSC-KOH-5h, and SPSC-CO2-2h electrode at a scan rate of 5mV/s

4 结 论

1.以红薯淀粉为原料，碳化后再经KOH或CO2活化均可以得到较高比表面积的活性炭材料。其中，KOH活化法在碳碱比1∶3、活化温度800℃、活化时间5h的条件下，得到的活性炭比表面积为1590m2/g，介孔率为20.3%；CO2活化法在活化温度800℃、活化时间2h的条件下，得到的活性炭比表面积为1054m2/g，介孔率达62.0%。

2.红薯基活性炭用作超级电容器电极材料时，在6M KOH电解液中表现出典型的双电层电容器的特征；其中CO2活化法所得活性炭具有更好的电化学性能，在5A/g的电流密度下，比电容量为187F/g，而KOH活化法所得活性炭比电容量较低，为143F/g，前者比电容量更高，主要是由于CO2活化后的活性炭介孔率更高，储存电荷的能力更强。

[1] Abioye A. M and Ani F. N. Recent Development in the Production of Activated Carbon Electrodes from Agricultural Waste Biomass for Supercapacitors: A Review [J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2015, 52: 1282～1293.

[2] 魏娜, 赵乃勤, 贾威. 活性炭的制备及应用新进展[J]. 材料科学与工程学报, 2003, 21(5): 777～780.

[3] Largitte L, Pasquier R. A review of the Kinetics Adsorption Models and Their Application to the Adsorption of Lead by an Activated Carbon [J]. Chemical Engineering Research & Design, 2016, 109: 495～504.

[4] 薛广钊, 侯贵华, 乔仁静，等. 稻壳基高比表面积介孔活性炭的制备与表征[J]. 环境工程学报, 2016, 10(1): 375～378.

[5] 宋永辉, 马巧娜, 李欣，等. 活化温度对兰炭基活性炭结构与性能的影响[J]. 材料导报B研究篇, 2016, 30(1): 34～37.

[6] Bello A, Manyala N, Barzegar F, et al. Renewable Pine Cone Biomass Derived Carbon Materials for Supercapacitor Application [J]. RSC Advances, 2016, 6(3): 1800～1809.

[7] Mochizuki T, Kubota M, Matsuda H, Camacho LFD. Adsorption Behaviors of Ammonia and Hydrogen Sulfide on Activated Carbon Prepared from Petroleum Coke by KOH Chemical Activation [J]. Fuel Processing Technology, 2016, 144: 164～169.

[8] Wang J, Kaskel S. KOH Activation of Carbon-based Materials for Energy Storage [J]. Journal of Materials Chemistry, 2012, 22(45): 23710～23725.

[9] Chang B, Guo Y, Li Y, Yang B. Hierarchical Porous Carbon Derived from Recycled Waste Filter Paper as High-performance Supercapacitor Electrodes [J]. RSC Advances, 2015, 5(88): 72019～72027.

[10] Zhu Y, Murali S, Stoller MD, et al. Carbon-based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene [J]. Science, 2011, 332(6037): 1537～1541.

[11] 彭宝利, 孟津, 杜丕一. 乙炔黑电极材料的双电层电容器制备与性能研究[J]. 材料科学与工程学报, 2005, 23(4): 516～520.