竹笋壳基活性炭的制备及其在超级电容器中的应用

竹笋壳基活性炭的制备及其在超级电容器中的应用

刘子逸

福建省建瓯第一中学，福建，建瓯，353100

摘要：作为一种生物质肥料，竹笋壳在自然界中储量丰富，因而有着极其低廉的价格。以竹笋壳为原料，采用高温炭化和氢氧化钾活化法制备了竹笋壳基活性炭。所制备的电容器具备典型的电化学性能，且充放电稳定性良好。

关键词：竹笋壳，炭化，活化，超级电容

1.引言

作为一种新型储能装置，超级电容器既不属于充电电池，也不属于电容器。介乎二者之间的超级电容器具备着高功率密度、长寿命、充放电速度快、速率性能优异、成本低廉等特点，受到业界和学术界的广泛关注1-2。目前，超级电容器在数字无线设备，内存备份系统，混合动力电动汽车等诸多领域已经被广泛应用。随着研究学界对超级电容器的研究日益深入，它已经成为最富应用前景的新型储能系统之一3-4。

电极材料作为影响超级电容器的主要组成部分，在研究学界引起了广泛的关注。目前，活性炭材料因其具有易加工性，更高的丰度、低成本以及高表面积和孔隙率，被广泛应用于超级电容器5-6。活性炭材料主要来自化石燃料和木材等，然而，化石燃料资源有限且不可再生，过度砍伐森林也会导致严重的环境问题。生物质基植物材料作为可再生资源因其成本低、易得、环保和结构上多孔等优势，受到了极大关注7-8。

竹笋壳作为一种主要由纤维素、半纤维素和木质素组成的生物质材料，通常被作为废弃生物质处理，而中国作为竹子资源丰富的国家，每年将产生大量的废弃竹笋壳。鉴于此，竹笋壳将有望变废为宝，进一步降低活性炭成本，成为超级电容器用电极活性炭制备的候选材料。

本文通过使用竹笋壳为原料，对竹笋壳通过高温碳化，与氢氧化钾混合，活化等步骤，制备了活性炭材料。

2.实验结果与讨论

2.1竹笋壳基活性炭的制备

先将竹笋壳用去离子水超声5min，清洗干净，确保所有灰尘杂质完全去除。然后，将竹笋壳在100°C的干燥室中干燥4小时以上。干燥后的竹笋壳呈棕黄色，竹笋壳纹理结构清晰（如图1所示）。

图1清洗干燥后的竹笋壳光学照片

接着，将干燥后的竹笋壳剪碎，称取适量竹笋壳碎片置于氩气保护管式炉中。加热速度设定为从室温上升到600°C/min，高温裂解3小时，在氩气保护下冷却至室温。随后，热解产生的黑色材料被浸泡在质量分数为10wt%的盐酸溶液中，在水浴锅中加热煮沸，随后将溶液进行过滤并使用去离子水冲洗，直至冲洗后的溶液变为中性。由此，获得了竹笋壳基的活性炭，并在110°C下干燥4h（如图2所示）。从图2中可以观察到，干燥的竹笋壳经过炭化后颜色由棕黄色转变成炭黑色，而且保留了竹笋壳的纹理结构。

图3制得的竹笋壳基活性炭粉末材料光学照片

2.2超级电容器的组装及其充放电性能测试

称量一定量的竹笋壳活性炭粉末材料，按照8:1:1的质量比将竹笋壳活性炭材料、炭黑与粘结剂混合配制浆料。炭黑的添加可以有效提升材料的电导率。通过将混合浆料反复均匀涂覆于泡沫镍上后，烘干后进行压片制备电极，最终制得涂覆压片后的超级电容电极（如图4所示）。图4中黑色部分为涂覆混合浆料（活性炭材料）部分，而银灰色部分为暴露的泡沫镍。

所组装的超级电容器被使用电化学工作站（IviumStat.h）进行性能表征。图6显示的是超级电容器的充放电性能表征，电流密度为20mAcm-2，测试内容为充放电行为。图6显示，充放电曲线均表现出线性的特征，体现了所制备的超级电容器具备典型的电化学行为9。同时，在整个测试过程中，充放电的电化学曲线没有出现明显变化，体现了所制备的超级电容器在充放电过程中具备良好的稳定性。

图6组装的超级电容器的充放电电化学测试曲线

3.结论

本文通过对竹笋壳在600°C进行高温炭化处理获得了完全炭化的竹笋壳炭化产物，并按照1:3质量比混合炭化产物和KOH，成功制得了用于超级电容器用竹笋壳基活性炭粉末材料。电化学表征结果表明，组装的超级电容器显示了典型的超级电容器电化学行为以及良好的充放电稳定性。

参考文献

(1)Largeot,C.;Portet,C.;Chmiola,J.;Taberna,P.-L.;Gogotsi,Y.;Simon,P.RelationbetweentheIonSizeandPoreSizeforanElectricDouble-LayerCapacitor.JournaloftheAmericanChemicalSociety2008,130,2730-2731.

(2)Zhang,L.L.;Zhao,X.S.Carbon-basedmaterialsassupercapacitorelectrodes.ChemicalSocietyReviews2009,38,2520-2531.

(3)SIMON,P.;GOGOTSI,Y.,Materialsforelectrochemicalcapacitors,inNanoscienceandTechnology.p.320-329.

(4)JohnR.Miller;Simon,P.ElectrochemicalCapacitorsforEnergyManagement.Science2008,321,651-652.

(5)Frackowiak,E.;Béguin,F.Carbonmaterialsfortheelectrochemicalstorageofenergyincapacitors.Carbon2001,39,937-950.

(6)Inagaki,M.;Konno,H.;Tanaike,O.Carbonmaterialsforelectrochemicalcapacitors.JournalofPowerSources2010,195,7880-7903.

(7)Farma,R.;Deraman,M.;Awitdrus,A.;Talib,I.A.;Taer,E.;Basri,N.H.;Manjunatha,J.G.;Ishak,M.M.;Dollah,B.N.M.;Hashmi,S.A.Preparationofhighlyporousbinderlessactivatedcarbonelectrodesfromfibresofoilpalmemptyfruitbunchesforapplicationinsupercapacitors.BioresourceTechnology2013,132,254-261.

(8)Wang,J.;Kaskel,S.KOHactivationofcarbon-basedmaterialsforenergystorage.JournalofMaterialsChemistry2012,22,23710-23725.

(9)Zhang,Y.;Li,H.;Pan,L.;Lu,T.;Sun,Z.Capacitivebehaviorofgraphene–ZnOcompositefilmforsupercapacitors.JournalofElectroanalyticalChemistry2009,634,68-71.