елементи

Тази статия е актуализирана

абстрактно

Материалите от биомаса са обещаващи предшественици за производството на въглеродни материали поради тяхното количество, ниска цена и възобновяемост. В този случай от цветното венчелистче е получен материал за гофриран гофриран въглероден мембранен (WCM) електрод за гъвкави суперкондензатори (SC). Въглеродната мембрана е направена чрез прост процес на термична пиролиза и допълнително се активира чрез нагряване на пробата във въздух. Активираната гофрирана въглеродна мембрана (AWCM) показва като свързващо вещество и електрод без ток на колектора с висок специфичен капацитет от 332,7 F/g и отлична циклична мощност с капацитет на задържане от 92,3% за 10 000 цикъла. В допълнение беше произведен гъвкав суперкондензатор с пълен капацитет с AWCM електрод и имаше максимален специфичен капацитет от 154 F/g и висока устойчивост на огъване. Разработването на тази въглеродна мембрана, базирана на цветни листенца, осигурява обещаващ икономически ефективен и екологичен доброкачествен електроден материал за гъвкаво съхранение на енергия.

Съхранението на енергия е изключително желателно, за да се отговори на постоянно нарастващото търсене на чиста енергия. Суперкондензаторите (SC) с висока плътност на мощността, висока скорост на зареждане и отлична циклична мощност привлякоха много внимание като високоефективно устройство за съхранение на енергия 1, 2, 3. В SC електрическият двуслоен кондензатор (EDLC) е един от основните типове, който се основава главно на натрупването на йони на границата между електрода и електролита 4. За EDLC електродни материали порестият въглерод се счита за идеален кандидат поради своята висока специфична повърхност (SSA), добра проводимост и електрохимична стабилност. Особено през последните години нано-въглеводороди като въглеродни нанотръби и графен са широко изследвани като електродни материали за EDLC с отлични електрохимични показатели 5, 6, 7, 8, 9. Въпреки това, синтезът на тези нано-въглеводороди страда от недостатъците на много скъпия процес на химическо отлагане на пари (CVD) или екологичните проблеми, свързани с използването на токсични химикали. Следователно, разработването на зелени методи за производство на евтини и високоефективни въглеродни материали в голям мащаб е от решаващо значение за практическото използване на EDLC.

Извлеченият от биомаса въглерод осигурява обещаващ евтин електроден материал и екологичен производствен процес. Като биомаса са използвани различни видове биомаса, като листа 11, кожи от pomelo 12, кожи от върба 13, 14, мембрани от черупки на яйца 15, водорасли 16, бряст самара 17, коприна 18, 19, багети от захарна тръстика 20 и кафе на зърна 21 прекурсор за производство на порест въглерод с висок специфичен капацитет и циклична стабилност. Въпреки това, полимерните свързващи вещества винаги се използват за смесване с тези порести въглеродни материали, за да се образуват електроди, което изисква допълнителни стъпки и също така предотвратява порите, което води до намаляване на специфичния капацитет 22. За да се избегне допълнителен процес на смесване и да се опрости процесът на производство на устройството, изключително атрактивен въглероден електрод е без свързващо вещество и ток.

Наскоро са направени свободно стоящи въглеродни електроди от карбонизацията на бактериална целулоза 23, пъпеш 24 и памук 25. Тези въглеродни електроди обаче са под формата на триизмерен порест блок, който показва ограничена гъвкавост в подготвените устройства. Цветните листенца, като един от най-разпространените източници на биомаса, могат да бъдат карбонизирани в свободно стояща въглеродна мембрана чрез прост процес на термична пиролиза в един етап. За разлика от други плоски естествени материали, дебелината на венчелистчетата е само 10–20 μm, което води до висока гъвкавост на карбонизираните цветни мембрани. Друго предимство на тези въглеродни мембрани е, че те наследяват набръчканата повърхност на цветни листенца, които показват висок SSA за съхранение на йони. Следователно, въглеродните мембрани на основата на цветни листенца са много обещаващи като електроди за гъвкави SC.

В тази работа за пръв път бяха подготвени гъвкави и набръчкани въглеродни мембрани (WCM) чрез карбонизиране на цветни венчелистчета. След процеса на активиране чрез нагряване на WCM във въздуха се получават AWCM с висока специфична повърхност (509 m 2/g). За разлика от въглеродните материали, получени от друга биомаса, не са необходими допълнителни свързващи вещества и токосъбирачи, което значително опростява производствения процес на суперкондензаторните устройства. AWCM има максимален специфичен капацитет от 332,7 F/g при 10 mV/s и отлично колоездене. В допълнение, въглеродната мембрана е силно гъвкава и произвежда симетричен изцяло масивен SC с висока гъвкавост, който инхибира специфичен капацитет от 154 F/g, надминавайки други порести въглеродни SC. Ефективността на устройството по време на огъване е много стабилна и след 10 цикъла на огъване не е установено очевидно намаляване на капацитета.

Резултати и дискусия

Синтез и морфология на набръчканите въглеродни мембрани.

Цветните листенца, използвани в този документ, са тези, получени от черешови цветове, събрани в кампуса на университета в Джънджоу. Подготовката на WCM и ACWM е илюстрирана накратко на ФИГ. 1а и подробно експериментално описание е дадено в раздела за метода. WCM се приготвя чрез термична пиролиза при 1000 ° С под Ar защита. След процеса на карбонизация цветът на венчелистчето се променя от светло розов до черен, което показва успешно превръщане на венчелистчето във въглеродна мембрана. За да се увеличи SSA WCM, подготвената въглеродна мембрана допълнително се нагрява до 300 ° С на въздух. Механизмът на активиране се основава главно на отстраняването на активни въглеродни атоми в дефекти, което е подобно на процеса на производство на пори в графен 9. Както е показано на ФИГ. Lb, както WCM, така и AWCM запазват оригиналната структура на венчелистчетата, което показва добра механична якост като свободно стояща мембрана за EDLC. В сравнение с въглеродните материали, активирани от KOH и ZnCl2, може да се получи само въглерод на прах 15, 20, леко термично обработени венчелистчета във въздуха са полезни за поддържане на уникалната им структура.

венчелистчета

а ) Схематично представяне на производствения процес на WCM и AWCM, където е приет двустепенен метод за карбонизация и активиране. ( б ) Изображения на венчелистчета на различни етапи: (I) сухи венчелистчета, (II) карбонизирани венчелистчета и (III) активирани карбонизирани венчелистчета.

Изображение в пълен размер

( а ) SEM и ( б, ° С ) увеличени SEM изображения на AWCM, показващи набръчканата повърхност. ( д ) SEM и ( д, е ) увеличени SEM изображения на напречно сечение на AWCM. ( ж, з ) TEM и увеличени TEM изображения на AWCM.

Изображение в пълен размер

Набръчкани въглеродни мембранни структури

( а ) XRD модели и ( б ) Раманов спектър, сравняващ WCM и AWCM. ( ° С, д ) N2 изотерма на адсорбция и десорбция и разпределение на порите на WCM и AWCM.

Изображение в пълен размер

Електрохимична оценка на произведените електроди

а ) CVM и AWCM криви при скорост на сканиране 50 mV/s. ( б ) CV AWCM криви при различни скорости на сканиране от 10 до 200 mV/s. ( ° С ) Специфичен капацитет, изчислен от CV криви като функция от скоростта на сканиране. д ) GCD AWCM криви при различни плътности на разрядния ток. ( д ) Nyquist WCM и AWCM графики с вложка, показваща високочестотния диапазон. ( е ) Поддържане на AWCM капацитет над 10000 цикъла.

Изображение в пълен размер

Температурата на пиролиза и активиране играе важна роля в електрохимичните свойства на електрода с въглеродна мембрана. Различни въглеродни мембрани се приготвят при различни температури на пиролиза при 600, 800, 1000 и 1200 ° С поотделно и сравнение на електрохимичните характеристики е показано на фигура S5. Вижда се, че електрохимичните характеристики на електрода намаляват при по-ниска или по-висока температура, което показва, че 1000 ° C е подходяща температура за пиролиза на венчелистчетата. Освен това изследвахме ефекта от температурата на активиране върху електрохимичните характеристики на електрода. Както е показано на Фигура S6, когато температурата на активиране се е увеличила от 300 на 400 ° C, специфичният капацитет е намалял от 253.01 на 166, 46 F/g. Следователно, най-добрата температура на активиране за въглероден мембранен електрод е 300 ° C.

( а ) Схематично представяне на гъвкав суперкондензатор. ( б ) Изображение на подготвен суперкондензатор. ° С ) CV криви на устройството при различни скорости на сканиране. ( д ) криви на GCD оборудване, получени при различни плътности на тока. д ) сравнение на CV кривата на устройството при различно време на огъване. ( е ) Поддържане на капацитета на устройството по време на 10 пъти огъване.

Изображение в пълен размер

заключения

Накратко, подготвихме свободно стоящи AWCM от богати и възобновяеми цветни листенца чрез термична пиролиза и друг процес на активиране. AWCM запазва формата и механичната здравина на оригиналните венчелистчета и наследява тяхната набръчкана микроструктура по повърхностите. С дебелина само 5–10 μm, AWCM е гъвкав и може да работи като съединител и електрод без токов колектор за SC. С триелектродна система в електролита KCl, AWCM има специфичен капацитет от 332,7 F/g с отлично колоездене. Гъвкавият суперкондензатор с пълен капацитет с AWCM електрод показва висок специфичен капацитет от 154 F/g и добра устойчивост на огъване, при което се наблюдава незначително намаляване на капацитета след 10 цикъла на огъване. Това осигурява икономически ефективен и ефективен материал за електроди за съхранение на енергия за гъвкави устройства.

методи

Производство на WCM

Венчелистчетата от черешов цвят бяха събрани в университета в Джънджоу и изсушени под налягане между 200 - 500 Pa. Изсушените венчелистчета се поставят в тръбна фурна и се карбонизират при 1000 ° С в продължение на 1 час под поток от Ar при скорост на потока 100 sccm. Температурата на фурната е 10 ° C/min. За да се предотврати извиването, венчелистчетата бяха фиксирани между графитни подложки по време на процеса на карбонизация. След реакцията карбонизираните венчелистчета се потапят в 4,0 М НС1 за 48 часа, за да се отстранят неорганичните примеси.

Производство на AWCM

Чистият WCM се поставя в тръбна пещ и се нагрява до 300 ° С на въздух в продължение на 1 час при скорост на удара 10 ° C/min. За пълно излагане на пробата на въздух, WCM се нагрява в кварцов съд директно без графитни подложки.

Морфология на материала и характеристика на структурата

Сканираща електронна микроскопия (SEM) и трансмисионна електронна микроскопия (TEM) бяха извършени на инструменти Hitachi S-4800 и FEI Tecnai F20. Пробите за рентгенова дифракция (XRD) бяха взети на PANalytical X'Pert Powder с Cu Kairradiation. Рамановите спектри бяха събрани с помощта на Renishaw inVia Raman микроскоп с лазерна дължина на вълната 514,5 nm. Адсорбцията на N2 газ се измерва с помощта на микроагрегатна ускорена повърхностна порозиметрия (NOVA 4200e, Китай) автоадсорбционен анализатор. N2 адсорбционни изотерми са получени при 77 K и специфична повърхност (SSA) е получена чрез Brunauer-Emmett-Teller (BET) анализ на адсорбционни изотерми. Измерването чрез рентгенова фотоелектронна спектроскопия (XPS) беше извършено на инструмент ESCALAB250Xi при основно налягане 1 x 10 - 9 mbar с рентгенов източник AlKa.

Приготвяне на твърд електролит

H3PO4 и поливинилов алкохол (PVA) бяха използвани като твърд електролит в суперкондензатора. Първо, 2 g H 3 PO 4 и 2 g PVA се поставят в 20 ml DI вода в колба с кръгло дъно. След това колбата се поставя в 90 ° С гореща баня с разбъркване в продължение на няколко часа, докато H3P04 и PVA се разтворят напълно и се получи бистър разтвор.

Производство на суперкондензатор

AWCM първо беше нарязан на правоъгълни ленти 6 mm x 8 mm, след това две AWCM ленти бяха използвани като суперкондензаторни електроди. От едната страна на всеки електрод беше свързан Ag проводник, за да свърже AWCM към външната верига, след което гелът PVA/H3PO4 беше покрит от двете страни на електродите AWCM, докато AWCM бяха напълно потопени в PVA/H3PO4 електролит. Поставете H 3 PO 4 на въздух при стайна температура за 12 часа, за да се изпари водата в електролита, докато се получи гелоподобен електролит. За да се разделят двата електрода, парче хартия, малко по-голямо от материала на електрода, беше вмъкнато между двете парчета AWCM. И накрая, двата парчета електроди бяха допълнително фиксирани с изолационна лента и беше получен суперкондензатор.

Електрохимични измервания

Електрохимичните измервания бяха извършени при стайна температура, като се използва електрохимична работна станция (CorrTest CS2350). Тестовете за циклична волтаметрия и галваностатично зареждане и разреждане бяха проведени в прозорец с напрежение от -1 - 0 V при различни скорости на засичане и действителни плътности. Измерванията на електрохимичната импедансна спектроскопия бяха извършени в честотния диапазон от 100 kHz до 0,01 Hz. Изпитването за механична еластичност се извършва чрез ръчно управление.

Когато се тества в система с три електрода, за един електрод неговият специфичен капацитет, Cs (F/g), може да бъде изчислен от CV кривите, като се използва

където s е скоростта на сканиране, V е потенциалният прозорец, m е масата на един електрод, а ja е токът.

Когато асиметричният суперкондензатор се зареди, напрежението ще се натрупва и на двата електрода. Капацитетът (C, F) на устройството се изчислява с помощта на уравнението

За идеален симетричен суперкондензатор специфичният капацитет, Cs (F/g) за активния материал, може да бъде изведен от капацитета на устройството.

$ config [ads_text16] не е намерен

където m е общото тегло на активния материал (AWCM).

Повече информация

Как да цитирам тази статия: Yu, X. et al. Меки и набръчкани въглеродни мембрани, получени от венчелистчета за гъвкави суперкондензатори. Sci. Представител. 7, 45378; doi: 10.1038/srep45378 (2017).

Забележка на издателя: Springer Nature остава неутрален по отношение на юрисдикционните претенции на публикувани карти и институционални взаимоотношения.

История на промените

Допълнителна информация

Word документи

Допълнителна информация

Коментари

Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако смятате, че това е обидно действие, което не отговаря на нашите условия или насоки, моля, сигнализирайте за неподходящо.