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硼氮摻雜活性炭的電化學性質和結構
文章作者:韓研網絡部 更新時間:2019-9-19 15:52:11

  對于納米技術研究的方向逐漸轉向到材料儲能領域,尤其是超級電容器。超級電容器是高功率電化學裝置,具有快速充放電動力學和長循環穩定性。碳納米結構如化學惰性,良好的導電性,高比表面積和可調諧表面化學這些獨特的材料特性使他們成為超級電容器的常見的電極材料。例如石墨烯,碳納米管,中孔碳和活性炭都是一種碳的納米材料。活性炭中的儲能過程完全基于電化學雙層電容,其與電極材料表面積,形態,電導率以及碳的表面化學有關。調節活性炭的表面積,結構和形態特性的能力允許產生具有獨特性質的雙層電容材料。在本次研究中,評估了碳酸鉀活化對活性炭和硼氮摻雜活性炭的結構,結構和電化學性質的影響。

  化學活化是改變活性炭電極表面積和活性的常用方法。常用的化學活化劑有氫氧化鈉,氯化鋅,磷酸和氫氧化鉀等,但是用碳酸鉀來活化活性炭很少有人試過。與其他活化劑不同,碳酸鉀的使用保持了活性炭的球形形態。球形的活性炭是具有吸引力的材料,因為它們具有一致的球形幾何形狀,化學純度和良好的化學穩定性。此外,存在sp 2和sp 3碳結構域,懸空鍵和活性炭中不完全的石墨殼允許高化學反應性和易于表面改性。因此,通過使用活化劑容易改變活性炭的內部石墨結構和表面性質。

  圖1:硼和氮共摻雜活性炭與碳酸鉀活化的機制。

  電化學表征方法

  通過將活性材料(80重量%)與導電碳乙炔黑(10重量%)和聚偏二氟乙烯(10%重量)混合來制備電極材料。向混合物中加入幾滴N-甲基-2-吡咯烷酮形成漿液,然后將其涂覆在鎳泡沫上并在60℃下干燥12小時。使用由三電極配置的恒電位儀研究電極的電化學性能。使用玻璃碳對電極,Ag/AgCl參比電極和球碳,硼氮摻雜碳,活性炭和硼氮摻雜活性炭作為工作電極,在3M KNO 3中進行電化學測量。對稱裝置以紐扣電池型結構組裝,具有微纖維濾紙分離器和3M KNO 3含水電解質。循環伏安法(CV)和恒電流充放電(GCD)測量分別在不同的掃描速率和特定的電流值下進行研究。電化學阻抗譜(EIS)測量在開路電位下在10mHz至100kHz的頻率范圍內進行。

  材料的形態結構和紋理屬性

  TEM圖像顯示活性炭具有球形形態(圖2a)并且增生。另一方面,硼氮摻雜碳似乎已經聚結并且具有與原始碳相當的直徑(圖2b)。碳球的小直徑可以與使用的短停留時間相關聯。典型地,該球形碳的生長由前體,反應時間,反應溫度的類型和載氣類型的影響。在800℃下用碳酸鉀活化后,粒徑沒有變化,并且活性炭和硼氮摻雜活性炭發現增加(圖2c、d)。炭的增加可以使用擴散限制的聚類聚合模型來解釋,例如炭黑。在較高溫度下,乙炔氣體分解產生碳和氫自由基,這些自由基成核形成五角形碳環。然后,五邊形碳環經歷螺旋殼生長,隨后由于七邊形-五邊形碳環的配對而形成球形碳顆粒,使石墨片成核。最后,范德瓦爾斯力允許活性炭顆粒在不同方向上的隨機互連,從而產生增生網絡。在活化過程中,碳球表面與碳酸鉀反應形成活性炭,導致表面產生邊緣缺陷和扭曲的球形幾何形狀。互連碳球表明,活性炭和硼氮摻雜活性炭適合于電化學應用,因為它們可能允許融合活性炭球體表面上更好的電荷積累,并且因此,增強了電荷存儲。

  圖2:(a)碳球(b)硼氮摻雜碳(c)活性炭和(d)硼氮摻雜活性炭的高放大率TEM圖像。

  電化學分析

  圖3顯示了在中性電解質溶液3M KNO 3中,活性炭電極在正和負工作電位范圍內的電化學分析結果。碳球和活性炭的相應CV曲線呈現出準矩形形狀,表示特征性的雙電層電容行為(圖3a)。正如預期的那樣,硼氮摻雜碳的CV曲線形狀比碳球的矩形更加矩形,因此顯示出較小的電阻碳表面。對碳球和硼氮摻雜碳觀察到的低電流響應歸因于缺乏多孔結構,限制了電極和電解質界面之間的離子擴散和傳輸。相反,活性炭和硼氮摻雜活性炭的電流響應由于在碳表面,然后促進更好的電解質-電極表面相互作用和增強的離子擴散進入孔隙較高。與未摻雜的碳球相比,硼氮摻雜活性炭由于其高表面積和硼氮和氧雜原子的存在而產生很高的電流響應。

  圖3:四種活性炭的CV曲線以及針對正負電位窗口的特定電流計算的比電容和在3 M KNO 3電解液中的奈奎斯特圖。

  在這項研究中,除了在碳中產生無序之外,碳球的活化導致相互連接的碳形態,表面積和孔隙率的大幅增加。硼氮摻雜碳由5.9%硼和4.7%氮組成,而硼氮摻雜活性炭具有1.5%硼和1.0%氮,表明活化對碳球內雜原子組成的影響。硼氮摻雜碳由64%吡啶-N,24%吡咯-N和7%石墨-N組成,而硼氮摻雜活性炭含有19%吡啶-N,40%吡咯-N和22%石墨-N,說明碳酸鉀活化對活性炭中N-構型的影響。與其他碳電極材料相比,硼氮摻雜活性炭具有較高的表面積,較長的放電時間,較低的等效串聯電阻和最高的比電容。總之,我們的實驗證明了碳酸鉀活化對活性炭的形態結構和電化學性質中起重要作用。

文章標簽:椰殼活性炭,果殼活性炭,煤質活性炭,木質活性炭,蜂窩活性炭,凈水活性炭.

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