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邓筠飞, 杜卫民, 王梦瑶, 位庆贺. 基于玉米秸秆合成的多孔生物质炭材料及其电化学储能[J]. 应用化学, 36(11): 1323-1332
DENG Junfei, DU Weimin, WANG Mengyao, et al. Synthesis and the Electrochemical Energy Storage of Porous Biomass Carbon from Corn Stalk[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 36(11): 1323-1332  
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基于玉米秸秆合成的多孔生物质炭材料及其电化学储能
邓筠飞a,b, 杜卫民a,*, 王梦瑶a, 位庆贺a
a 安阳师范学院化学化工学院 河南 安阳 455000
b 安阳正一中学 河南 安阳 450000
通讯联系人:杜卫民,教授; Tel/Fax:0372-2900040; E-mail:dwmchem@163.com; 研究方向:功能纳米材料的合成及应用
收稿日期:2019-04-15 修回日期:2019-06-14 接受日期:2019-07-11
基金:国家自然科学基金(U1404203)、河南省高校科技创新团队支持计划项目(16IRTSTHN003)和安阳市新能源汽车发展专项(2017-480-15)资助
摘要

以玉米秸秆为原料,合成了高比表面积(2167 m2/g)的多孔生物质炭材料。 优化实验条件即可获得性能最佳的生物质炭电极材料,其在电流密度为1 A/g时的比电容高达390 F/g。 更重要的是,以所得最佳多孔生物质炭为电极材料,3 mol/L 的KOH溶液为电解质,组装了液相对称超级电容器。 该超级电容器在功率密度为818 W/kg时,其能量密度高达7 Wh/kg,在循环10000圈后的电容保持率为91.1%。 同时,将两个这种超级电容器串联充电之后,能够点亮15个LED灯并驱动小风扇正常工作。 这些结果表明,将基于玉米秸秆的多孔生物质炭作为先进电极材料应用于超级电容器具有较大的实际应用价值。

关键词: 玉米秸秆; 生物质炭; 对称; 超级电容器; 能量存储
中图分类号:O613.7 文献标志码:A 文章编号:1000-0518(2019)11-1323-10
Synthesis and the Electrochemical Energy Storage of Porous Biomass Carbon from Corn Stalk
DENG Junfeia,b, DU Weimina, WANG Mengyaoa, WEI Qinghea
a College of Chemistry and Chemical Engineering,Anyang Normal University,Anyang,He'nan 455000,China
b Zhengyi High School,Anyang,He'nan 455000,China
Corresponding author:DU Weimin, professor; Tel/Fax:0372-2900040; E-mail:dwmchem@163.com; Research interests:synthesis and application of functional nano-materials
Received:2019-04-15 Revised:2019-06-14 Accepted:2019-07-11
Fund:Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.U1404203), the Program for Innovative Research Team of Science and Technology in the University of Henan Province(No.16IRTSTHN003), and the Special Projects of New Energy Vehicle Development of Anyang City(No.2017-480-15)
Abstract

Porous biomass carbon with high specific surface area(2167 m2/g) was prepared from corn stalk. By optimizing the experimental conditions, porous biomass carbon material with the best performance can be obtained with specific capacitance of 390 F/g at a current density of 1 A/g. More importantly,liquid-phase symmetric supercapacitors were assembled with the optimal porous biomass carbon as the electrode material and 3 mol/L KOH solution as the electrolyte. The present symmetrical supercapacitors have an energy density of 7 Wh/kg at the power density of 818 W/kg, and 91.1% capacitance retention after 10000 cycles. Meanwhile, after charged, two such supercapacitors in series can easily illuminate 15 LED lights and drive the small fans to work normally. These results indicate that porous biomass carbon from corn stalks has great practical significance as an advanced electrode material for supercapacitors.

Keyword: corn stalks; biomass carbon; symmetrical; supercapacitors; energy storage

随着化石能源消耗的不断增加,环境污染问题的日益加剧,研究开发高效、清洁、可持续发展的新型能源存储装置受到了广泛的关注。 超级电容器是一种介于锂电池和传统电容器之间的新型储能装置,由于其较高的功率密度、较长的循环寿命以及安全性、无记忆效应等优点,在电动汽车和储能设备等领域有广泛的应用[1,2,3]。 按照其电荷储存机理,超级电容器通常可分为两种类型,一种是基于电荷吸附的双电层电容器,另一种是基于电化学反应的赝电容器。 其中,双电层超级电容器的能量储能主要是利用电极材料表面的晶格缺陷、多孔结构以及表面官能团对电解质离子进行吸附和脱附来储存电荷,从而在电极与电解质溶液的表面形成双电层来储存能量[4,5,6]。 双电层电容器的电极材料主要为碳材料,如:活性炭、多孔碳、石墨烯和碳纳米管等。 其中多孔碳材料由于具有丰富的孔隙,不仅能提高比表面积以形成更多的双电层,而且其合理的孔径分布也有利于电解质离子的扩散。 因此,多孔碳材料的合成与性能研究引起了人们的广泛关注。

众所周知,大多数商业碳材料主要来自化石燃料。 由于其成本高和不可再生的性质,限制了其在超级电容器领域的实际应用[7]。 由具有多孔结构纤维素构成的天然生物质不仅可以提供三维多孔骨架的模板,而且其富碳的有机体也是制备碳材料的良好前驱体。 因此,作为低成本、原料丰富且可再生的天然材料,生物质已成为目前制备多孔碳材料的又一新的选择。 此外,将天然生物质作为合成多孔碳材料的生物模板也是有效利用自然资源和控制环境污染的一种较好方式。 截至目前,已有多种生物质用于合成多孔碳并成功用作超级电容器电极材料。 例如:将壳聚糖与KOH共混并高温活化,成功制备了壳聚糖基多孔碳电极,该电极在1 A/g 的电流密度下获得了455 F/g的比电容[8];使用松针与KOH共混并高温活化,制备了松针基多孔碳并进行了电化学测试,在1 A/g的电流密度下获得236 F/g的比电容[9];以柚子皮为原料,制备了柚子皮衍生的多孔碳电极,所制备的电极材料在1 A/g的电流密度下,比电容达到了260 F/g[10]。 由此可见,以低成本、可再生的生物质作为原料制备多孔碳材料将是获得高性能电极材料的一种新途径。

农作物秸秆是一种天然的纤维素生物质,被认为是地球上最有价值和最丰富的可再生资源之一[11,12]。 在中国,天然纤维素生物质的年产量超过7亿吨,其中玉米秸秆的产量占了30%以上[13,14]。 为了贯彻落实可持续发展的新思想、新战略,结合 “废物-财富”的概念,使得玉米秸秆衍生的生物质炭材料在电极材料方面的实际应用引起了人们的关注[15,16]。 利用玉米秸秆作为制备超级电容器电极材料的原料,既具有来源丰富,又可以避免秸秆焚烧对环境污染的特点。 同时,具有多孔结构的玉米秸秆是由纤维素、半纤维素和木质素3种主要成分组成,其中含有丰富的极性羟基、羰基[12]。 这些极性基团在有机酸的作用下能与纤维素纤维形成交联,这也是玉米秸秆成为合成具有特定多孔结构碳材料的优势所在[17,18,19]。 因此,以玉米秸秆为原料,通过与柠檬酸发生交联反应,再进一步KOH活化,成功制备了玉米秸秆衍生的多孔生物质炭材料。 实验结果表明,在优化条件下制备的多孔生物质炭材料具有较高的比表面积(2167 m2/g)和优异的孔径分布。 电化学测试发现,基于多孔生物质炭的电极材料表现出较高的比电容。 而且,以所得最佳多孔生物质炭为电极材料组装了液相对称超级电容器。 该超级电容器表现出较高的能量密度、优异的循环稳定性以及较好的实用价值。

1 实验部分
1.1 仪器和试剂

LGJ-18型真空冷冻干燥机(北京松源华兴科技发展有限公司);SU8010型场发射扫描电子显微镜(SEM,日本日立公司);Gemini VII 2390型全自动快速比表面积与孔隙度分析仪(美国麦克公司);Ultima-Ⅲ型X射线粉末衍射仪(XRD,日本理学公司);CHI660E型电化学工作站(上海辰华仪器有限公司);HPT型多道电化学测试系统(32通道,美国Arbin公司)。

柠檬酸、NaH2PO4、KOH、盐酸等均为分析纯试剂,购自阿拉丁试剂公司。实验用水为去离子水。

1.2 玉米秸秆衍生多孔生物质炭的合成

在一个典型的合成过程,将天然的玉米秆清洗、干燥、粉碎。再将粉碎过的玉米秆、柠檬酸、NaH2PO4按照质量比4:4:1放在水中超声分散,磁力搅拌使其发生交联反应3 h后,放于冰箱中冷冻成固体。然后将冷冻后的样品放在真空冷冻干燥机中干燥。 干燥后的混合物放入磁舟,在Ar气氛中以3 ℃/min的加热速率升温至800 ℃并保温2 h。 反应结束后自然冷却后,将炭化产物放入盐酸中超声、浸泡,用水洗涤至溶液为中性,在80 ℃的烘箱中干燥,即可获得玉米秸秆的炭化产物。

按照玉米秸秆炭化产物与KOH的质量比为1:5的比例加入KOH,加适量水并超声混合。 烘干后并再次放进管式炉中,在相同的煅烧条件下处理2 h,煅烧后的样品洗涤、烘干,即可获得玉米秸秆衍生的多孔生物质炭材料,该材料标记为CBC-5。

为了研究KOH对产物的影响,在典型合成过程其它条件不变的情况下,仅改变炭化产物与KOH的质量比分别为1:3和1:7再次合成多孔生物质炭材料,所得材料分别标记为CBC-3和CBC-7。 此外,为了研究交联反应对产物的影响,直接将玉米杆炭化,然后按照炭化产物与KOH的质量比为1:5比例加入KOH,合成玉米秸秆衍生的生物质炭材料,该材料标记为BC-5。

1.3 材料表征

通过SEM对样品表面形貌特征进行观察分析;利用全自动快速比表面积与孔隙度分析仪在77 K条件下,通过氮气吸/脱附测体积法对样品的比表面积和孔径大小进行详细分析;利用XRD在40 kV和40 mA条件下对玉米秸秆衍生的多孔生物质炭材料进行物相表征。

1.4 电极的制备和液相对称超级电容器的组装及电化学性能测试

以泡沫镍为基底,将生物质炭材料、乙炔黑、粘合剂按照85:10:5的质量比混合、调浆、涂抹、干燥,制备以泡沫镍为集流体的生物质炭电极。 然后选取质量相同的两个生物质炭电极分别作为正极和负极,放入3 mol/L KOH的电解质溶液中并保持平行相对,组装成液相对称超级电容器。 单电极的所有电化学性能,包括循环伏安(CV)、恒电流充放电(GCD)和循环稳定性均是在室温下三电极体系中测试,其中铂电极和饱和甘汞电极(SCE)分别作为对电极和参比电极,电解液为3 mol/L的KOH溶液。 CV测试使用CHI660E电化学工作站。 GCD和循环稳定性测试使用Arbin多道电化学测试系统。 液相对称超级电容器是在两电极体系中测试,电解液也是3 mol/L的KOH溶液。

2 结果与讨论
2.1 材料的形貌表征

图1显示了实验所得玉米秸秆衍生的生物质炭的SEM照片。图1A、1B和1C分别是经过交联反应的CBC-3、CBC-5和CBC-7的高倍SEM图,在CBC-3、CBC-5和CBC-7的表面上可以分别发现许多大小不同的孔道结构,最小的孔直径约为10 nm,最大的孔直径可达300 nm。 根据国际纯粹与应用化学协会(IUPAC)的定义,孔径小于2 nm的称为微孔,孔径大于50 nm的称为大孔,孔径在2~50 nm的称为介孔(或称中孔)。 因此,这些较小的孔可归属于介孔,较大的孔可归属于大孔。 这些结果证明了分级的多孔生物质炭材料的成功合成。 这些孔道结构的存在有利于电解液离子快速扩散/传输,从而提升生物质炭的电化学性质。图1D是没有经过交联反应的BC-5样品的SEM照片,可以看出样品表面没有明显的多孔结构。 在先前的报道[20]中,将玉米秸秆直接炭化再KOH活化也可以获得生物质炭。 SEM结果表明,其产物也是类似于BC-5样品的片状材料,其表面没有明显的孔结构。 由此可见,对于玉米秸秆而言,发生交联反应是其产生多孔结构的关键步骤。

图1 CBC-3(A)、CBC-5(B)、CBC-7(C)和BC-5(D)产物的扫描电子显微镜照片Fig.1 SEM images of CBC-3(A), CBC-5(B), CBC-7(C), and BC-5(D) products

据文献[21]报道,有机多元羧酸可在NaH2PO4存在下脱水形成环酐,然后再与纤维素交联形成网络结构。 因此,低成本、无污染的柠檬酸的部分羧基可以与纤维素分子链上的羟基酯化,从而成为与植物中纤维素交联的理想交联剂。 在目前的合成过程中,其具体作用机理如图2所示。 柠檬酸首先通过与NaH2PO4反应脱水形成环酐。 随后,打开环酐并与玉米秸秆表面的纤维素发生酯化反应,形成桥联结构。 重复上述步骤,玉米秸秆表面的纤维素将与柠檬酸连续交联形成三维网状结构。 在高温碳化之后和KOH活化过程之后,在玉米秸秆中形成分级的多孔结构。 因此,这种发生交联反应的生物质炭具有丰富的分级多孔结构。 对于没有发生交联过程的生物质炭,合成的生物质炭材料几乎看不到明显的孔结构(图1D)。 这些结果充分证明,在NaH2PO4溶液中纤维素和柠檬酸之间的交联反应对于生物质合成多孔炭材料具有非常重要的作用。 目前的方法也为合成其它多孔生物质炭材料提供了一种新途径。

图2 玉米秸秆与柠檬酸在NaH2PO4溶液中反应机理的示意图Fig.2 Schematic illustration of the reaction mechanism between the corn stalks with citric acid in NaH2PO4 solution

2.2 材料的孔结构分析

为了进一步研究玉米秸秆衍生的多孔生物质炭材料的孔结构,采用氮气吸脱附法对所有生物质炭材料的比表面积、孔径分布进行了分析。 由图3A可以看出,CBC-3、CBC-5和CBC-7样品的吸脱附曲线在中压区均有较明显的回滞环,属于典型的Ⅳ型等温线,反映了3个样品中含有丰富中孔结构。 根据氮气吸附-解吸等温线对3个不同KOH比例的样品计算得出:CBC-3、CBC-5和CBC-7样品的比表面积分别为1997、2167和2005 m2/g。 较高的比表面积为电解质离子的吸附提供更多的活性位点。图3B是CBC-5和BC-5的吸附曲线对比图。

图3 (A,B)CBC-3、CBC-5、CBC-7和BC-5生物质炭的N2气吸脱附曲线对比图;(C)CBC-3、CBC-5和CBC-7生物质炭的孔径分布对比图;(D)BC-5生物质炭的微孔区孔径分布(插图是CBC-5和BC-5的孔径分布对比图)Fig.3 (A,B)Adsorption/desorption isotherms of the biomass carbon of CBC-3, CBC-5, CBC-7 and BC-5; (C)Compared pore diameter distribution of the biomass carbon of CBC-3, CBC-5 and CBC-7; (D)Pore size distribution of microporous area of BC-5 biomass carbon(the inset is the comparison of pore size distribution of CBC-5 and BC-5)

由图3B可见,未发生交联反应的BC-5的碳材料几乎没有吸脱附的回滞环,属于典型的I型等温线,反映的是微孔填充现象。 而且,其测试的比表面积仅为1237 m2/g, 远远小于发生过交联反应的生物炭材料。图3C是CBC-3、CBC-5和CBC-7生物质炭的孔径分布对比图。 可以发现这3个样品具有相似的多级孔结构,主要由微孔和介孔形成,介孔的平均孔径均在4 nm左右。 进一步证实了图1中多孔结构的实验结果。 这种多孔结构可以通过降低离子传输阻力和扩散距离来增加电解质离子的快速扩散/传输,从而提高其电化学性能。 而对于BC-5碳材料而言,其孔径分布图表明其结构中主要是微孔结构的存在(图3D)。 在先前的文献[20]报道中,基于玉米秸秆获得的生物质炭样品的最大比表面积仅为1736 m2/g,而且其N2气吸脱附实验也没有出现滞后环和相应的孔径分布。 研究表明,电解质离子通常难以进入孔径小于0.5 nm的微孔,导致由微孔贡献的比表面积难以利用,并且离子在微孔孔隙中的迁移速率明显减慢,导致双电层电容器的能量和功率密度将受到限制。 因此,玉米秸秆衍生的生物质炭的介孔结构及较大比表面积对于提高碳材料的电化学性能具有非常重要的作用。

2.3 材料物相表征

图4依次展示了CBC-3、CBC-5、CBC-7和BC-5生物质炭材料的XRD谱图。 由图4可见,4个样品的谱图中,在2 θ=26°、44°处均出现的衍射峰分别对应(002)与(100)两个晶面。 (002)晶面表示样品中的无定型碳的分布,(100)晶面表示样品的石墨化程度。 而且,其衍射峰的强度较低,表明其结晶性不高,有利于提高生物质炭材料的比表面积。 XRD图谱没有其它的衍射峰出现,表明所得碳材料具有纯净物相。

图4 CBC-3、CBC-5、CBC-7和BC-5生物质炭材料的XRD图Fig.4 XRD spectra of the biomass carbon materials of CBC-3、CBC-5、CBC-7, and BC-5

2.4 材料电化学性能

采用三电极体系研究了CBC-3、CBC-5、CBC-7和BC-5生物质炭电极在3 mol/L KOH电解液中的电化学性能。图5A显示了CBC-5 生物质炭电极在不同扫速下的循环伏安(CV)曲线。 所有的CV曲线均近似呈矩形,没有其它氧化还原峰存在,表现出典型的双电层电容特性。 随着扫速不断增加,CV曲线面积不断增加但仍然呈现矩形,表明材料倍率性能良好。 其它的材料也具有类似的CV曲线。图5B显示了CBC-3、CBC-5、CBC-7和BC-5生物质炭材料在20 mV/s扫速下的对比CV曲线,整体看来,CBC-5的CV曲线的积分面积较大,暗示其具有较大的比电容,这主要与其较大的比表面积和合理的孔径分布有关。

图5 (A)CBC-5 生物质炭电极的CV曲线;(B)实验所得生物质炭材料在20 mV/s的对比CV曲线;(C)CBC-5生物质炭电极的GCD曲线;(D)实验所得生物质炭材料在1 A/g的对比GCD曲线;(E)实验所得生物质炭材料的倍率性能对比图;(F)CBC-5 生物质炭电极的循环稳定性曲线,插图是最初和最后10个的充放电曲线Fig.5 (A)Cyclic voltammogram curves at different scanning rates of CBC-5; (B)Compared cyclic voltammogram curves at 20 mV/s of CBC-3、CBC-5、CBC-7, and BC-5; (C)Galvanostatic charge-discharge curves at different current densities of CBC-5. (D)Compared charge-discharge curves at current density of 1 A/g and (E)corresponding rate performance of CBC-3、CBC-5、CBC-7, and BC-5; (F)Cycling stability at the current density of 5 A/g of PBC-5(the insert is the initial and the last ten GCD curves during 2500 cycles)

为了进一步明确所得生物炭材料的电化学储能特性,对全部生物质炭电极进行了恒电流充放电(GCD)测试。图5C显示了CBC-5 生物质炭电极在不同电流密度下的GCD曲线,所有曲线近似为等腰三角形,表明材料具有很好的电容性和可逆性。 并且,这种材料没有明显的电压降,表明材料导电性良好。 其它的生物质炭材料也具有类似的GCD曲线。图5D显示了CBC-3、CBC-5、CBC-7和BC-5生物质炭材料在在1 A/g电流密度下的对比GCD曲线。 可以看出CBC-5电极的放电时间最长,表明其具有最大的电荷容量。根据式(1)可以计算其比电容:

C=IΔt/(mΔV)(1)

式中, C是比电容(F/g), I和Δ t分别是恒定的放电电流(A)和放电时间(s); m和Δ V分别是电极内活性物质的质量(g)和充放电过程中的电势差(V)。 根据式(1)进行比电容计算和比较,结果图5E所示,在所有电流密度下,样品CBC-5的比电容均要高于相同电流密度下其它样品的比电容,其最高比电容为390 F/g。 这一结果明显高于其他基于玉米秸秆衍生生物质炭的工作(301 F/g)[20]。 通过分析对比发现,样品CBC-5具有最优异电化学性能,这主要归因于其较高的比表面积(2167 m2/g)和合适的孔径分布。 高的比表面积增加了更多离子吸附位点,进一步增加了双电层电容。图5F为CBC-5样品在电流密度为5 A/g时的循环图,在经过循环2500圈后的循环后电容保持率为95.6%,表明CBC-5样品具有良好的循环稳定性能。图5F中的插图是循环过程中最初10圈和最后10圈循环的GCD图,在循环前后GCD曲线几乎没有变化,再次证明了CBC-5样品优异的电极可逆性。 这些结果表明,利用玉米秸秆制备出的多孔生物质炭材料具有优异的电化学性能,可以作为超级电容器电极材料应用于实际的超级电容器中。 因此,选择CBC-5样品进行后续的超级电容器的实际应用。

2.5 对称超级电容器电化学测试

由于CBC-5生物质炭材料具有高的比电容、良好的倍率性能、优异循环稳定性,因此,在3 mol/L的KOH电解液中基组装了基于CBC-5样品的CBC-5//CBC-5对称超级电容器。图6A显示了基于CBC-5生物质炭材料的CBC-5//CBC-5超级电容器在不同电压窗下的循环伏安(CV)曲线。 所有曲线仍保持矩形形状反映出双电层特性。 当电压窗超过1.3 V时,该超级电容器电极表面会发生电解水反应,产生大量气泡。 故选择0~1.3 V电压窗为该对称超级电容器的工作电压窗。图6B为对称超级电容器在不同扫速下的CV曲线,其形状保持为矩形,表明具有理想的双电层电容行为。 当扫速为100 mV/s时,曲线仍保持形状不变,突出其良好的倍率性能。图6C显示了对称超级电容器在不同电流密度下的GCD曲线,所得恒电流充放电曲线是高度线性和对称的,表明电极材料具有优异的电化学可逆性。图6D显示了不同电流密度下的比电容,可以看出,在电流密度为1 A/g时,CBC-5//CBC-5对称超级电容器的比电容最大为30 F/g。 随着电流密度增加到5 A/g时,电容保持率为80%,表明基于CBC-5生物质炭材料的CBC-5//CBC-5对称超级电容器具有较高的比电容和优异的倍率性能。

图6 基于CBC-5生物质炭材料的CBC-5//CBC-5对称超级电容器电化学性能:(A)不同电压窗的CV曲线;(B)不同扫速下的CV曲线;(C)不同电流密度下的GCD曲线;(D)不同电流密度下的比电容图Fig.6 (A)CV curves collected in different cell voltages; (B)CV plots at different scanning rates, (C)GCD curves at different current densities; and (D)the rate capability of CBC-5//CBC-5 supercapacitors based on CBC-5 biomass carbon materials

图7A是基于CBC-5生物质炭材料的CBC-5//CBC-5对称超级电容器在电流密度为5 A/g时循环图,经过10000圈充放电循环后比电容仅损失8.9%,展示出长的循环寿命。 其中的插图为10000个循环过程中最初10圈和最后10圈的充放电图,可以发现长时间循环后其图形几乎完全一致,显示出优异的电极可逆性。

图7 (A)基于CBC-5生物质炭材料的CBC-5//CBC-5对称超级电容器在电流密度为5 A/g时的循环(插图为1000个循环过程中最初10圈和最后10圈的充放电图);(B)能量密度与功率密度关系图; (C,D)基于CBC-5生物质炭材料的对称超级电容器的实际应用Fig.7 (A)Cycles test at 5 A/g (the insert is the initial and the last ten GCD curves during 10000 cycles); (B)Ragone plot related to energy and power densities; and (C,D)realistic application of the CBC-5//CBC-5 supercapacitors

能量密度和功率密度是反映超级电容器性能的一组重要数据。 CBC-5//CBC-5对称超级电容器的能量密度( E)和功率密度( P)可以根据式(2)和(3)估算:

E=IΔtΔV/(7.2m)(2)

P=3600E/Δt(3)

式中, I是电流密度(A), m是两电极活性材料的总质量(g),Δ V是电压窗(V), t是放电时间(s)。 如图7B所示,该超级电容器显示出的最大功率密度为4056 W/Kg,最大能量密度为7 Wh/Kg。

为了进一步开发基于CBC-5生物质炭材料的CBC-5//CBC-5对称超级电容器的实用价值,将两个这种超级电容器串联在一起为电源,在充电之后,能够使小风扇正常工作,并且也能轻易点亮15个LED灯(见图7C和7D)。 这些结果充分证明,玉米秸秆衍生的生物炭用作超级电容器的电极材料具有很好的实际应用价值。

3 结 论

以玉米秸秆为原料,成功制备了多孔生物质炭材料。 在最佳实验条件下获得的多孔生物质炭材料具有其较高的表面积和合适的孔径分布,显示出优异的电化学性能。 当电流密度为1 A/g时,最高比电容达到390 F/g。 更重要的是,基于最佳生物质碳材料组装的对称超级电容器,表现出较高的能量密度(在功率密度为818 W/Kg时能量密度为7 Wh/Kg)、优异的循环寿命(循环10000圈后的电容保持率为91.1%)以及较好的实际应用价值。 因此,玉米秸秆衍生的多孔生物质炭材料作为新一代超级电容器电极材料具有良好的发展潜力。

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