предметів

Ця стаття оновлена

реферат

Матеріали з біомаси є перспективними попередниками для виробництва вуглецевих матеріалів завдяки їх кількості, низькій вартості та відновлюваним джерелам. У цьому випадку матеріал для гофрованого гофрованого вугільного мембрани (WCM) електрода для гнучких суперконденсаторів (SC) був отриманий з пелюстки квітки. Вуглецева мембрана була виготовлена ​​за допомогою простого процесу термічного піролізу і додатково активована нагріванням зразка на повітрі. Активована гофрована мембрана (AWCM) як сполучна речовина та електрод без струму колектора показала високу питому потужність 332,7 F/g та чудову циклічну потужність з утримуючою здатністю 92,3% протягом 10000 циклів. Крім того, був виготовлений гнучкий суперконденсатор з повною ємністю з електродом AWCM, який мав максимальну питому потужність 154 F/g та високу стійкість до вигину. Розробка цієї вуглецевої мембрани на основі пелюсток квітів забезпечує перспективний економічний та екологічно чистий доброякісний електродний матеріал для гнучкого накопичення енергії.

Накопичення енергії вкрай бажано для задоволення постійно зростаючого попиту на чисту енергію. Суперконденсатори (SC) з високою щільністю потужності, високою швидкістю зарядки та чудовою циклічною потужністю привернули велику увагу як високоефективний пристрій накопичення енергії 1, 2, 3. У SC електричний двошаровий конденсатор (EDLC) є одним з основних типів, який заснований головним чином на накопиченні іонів на межі розділу між електродом та електролітом 4. Для електродних матеріалів EDLC пористий вуглець вважався ідеальним кандидатом через його високу питому площу поверхні (SSA), хорошу провідність та електрохімічну стабільність. Особливо в останні роки нано-вуглеводні, такі як вуглецеві нанотрубки та графен, широко досліджувались як електродні матеріали для EDLC з чудовими електрохімічними показниками 5, 6, 7, 8, 9. Однак синтез цих нановуглеводнів страждає від недоліків дорогого процесу хімічного осадження парів (ХВЗ) або екологічних проблем, пов'язаних із використанням токсичних хімічних речовин. Тому розробка зелених методів виробництва дешевих та високоефективних вуглецевих матеріалів у великих масштабах має вирішальне значення для практичного використання EDLC.

Вуглець, отриманий з біомаси, забезпечує перспективний недорогий електродний матеріал та екологічно чистий виробничий процес. В якості біомаси використовувались різні типи біомаси, такі як листя 11, шкірки помело 12, шкурки вербової шерсті 13, 14, оболонки яєчної шкаралупи 15, водорості 16, в'яз самара 17, шовк 18, 19, багети з цукрової тростини 20 та кавові зерна 21 попередник для виробництва пористого вуглецю з високою питомою здатністю та циклічною стабільністю. Однак полімерні сполучні завжди використовуються для змішування з цими пористими вуглецевими матеріалами для утворення електродів, що вимагає подальших кроків, а також запобігає порам, що призводить до зменшення питомої ємності 22. Щоб уникнути подальшого процесу змішування та спростити процес виготовлення пристрою, надзвичайно привабливий вуглецевий електрод не містить сполучної речовини та струму.

Нещодавно з вуглекислення бактеріальної целюлози 23, дині 24 та бавовни 25 виготовляють окремі вуглецеві електроди. Однак ці вуглецеві електроди мають форму тривимірного пористого блоку, який демонструє обмежену гнучкість у підготовлених пристроях. Пелюстки квітів, як одне з найпоширеніших джерел біомаси, можна карбонувати у вільно стоячу вуглецеву мембрану простим одноетапним процесом термічного піролізу. На відміну від інших плоских природних матеріалів, товщина пелюсток становить лише 10–20 мкм, що призводить до високої гнучкості карбонованих квіткових мембран. Ще однією перевагою цих вуглецевих мембран є те, що вони успадковують зморшкувату поверхню пелюсток квітів, що демонструє високий рівень SSA для зберігання іонів. Тому вуглецеві мембрани на основі пелюсток квітів є дуже перспективними як електроди для гнучких СК.

У цій роботі вперше були підготовлені гнучкі та зморщені вуглецеві мембрани (WCM) шляхом карбонізації пелюсток квітів. Після процесу активації нагріванням WCM у повітрі були отримані AWCM з високою питомою поверхнею (509 м 2/г). На відміну від вуглецевих матеріалів, отриманих з іншої біомаси, не потрібні додаткові сполучні та струмоприймачі, що значно спрощує процес виробництва суперконденсаторних пристроїв. AWCM має максимальну питому потужність 332,7 F/g при 10 мВ/с і відмінні велосипедні характеристики. Крім того, вуглецева мембрана є надзвичайно гнучкою і утворює симетричний суцільно масивний SC з високою гнучкістю, який інгібує питому потужність 154 F/g, перевершуючи інші пористі вуглецеві SC. Продуктивність пристрою під час згинання дуже стабільна, і після 10 циклів згинання не виявлено явного зменшення потужності.

Результати і обговорення

Синтез та морфологія зморщених вуглецевих мембран.

У цьому документі використовуються пелюстки квітів, отримані з квітів вишні, зібраних в університетському містечку Чженчжоу. Підготовка WCM та ACWM коротко проілюстрована на фіг. 1а, а детальний експериментальний опис наведено у розділі методів. WCM готували термічним піролізом при 1000 ° C під захистом Ar. Після процесу карбонізації колір пелюстки змінився від світло-рожевого до чорного, що свідчить про успішне перетворення пелюстки у вуглецеву мембрану. Для збільшення SSA WCM підготовлену вуглецеву мембрану додатково нагрівали до 300 ° C на повітрі. Механізм активації в основному заснований на видаленні активних атомів вуглецю з дефектів, що схоже на процес утворення пор у графені 9. Як показано на фіг. Lb, як WCM, так і AWCM зберегли оригінальну структуру пелюстки, що свідчить про хорошу механічну міцність як окремо стояча мембрана для EDLC. Порівняно з вуглецевими матеріалами, активованими KOH та ZnCl2, можна отримати лише вугільний порошок 15, 20, злегка термічно оброблені пелюстки на повітрі корисні для підтримки їх унікальної структури.

отримані

a ) Схематичне зображення процесу виробництва WCM та AWCM, де було застосовано двоступеневий метод карбонізації та активації. ( b ) Зображення пелюсток на різних етапах: (I) сухі пелюстки, (II) карбоновані пелюстки та (III) активовані вуглецеві пелюстки.

Повнорозмірне зображення

( a ) SEM та ( b, c ) збільшені SEM-зображення AWCM, що показують зморшкувату поверхню. ( d ) SEM та ( e, f ) збільшені SEM-зображення перерізу AWCM. ( g, h ) TEM та збільшені TEM зображення AWCM.

Повнорозмірне зображення

Зморщені вуглецеві мембранні структури

( a ) Моделі XRD та ( b ) Раманівський спектр, що порівнює WCM та AWCM. ( c, d ) Ізотерма адсорбції та десорбції N2 та розподіл пор за розмірами пор WCM та AWCM.

Повнорозмірне зображення

Електрохімічна оцінка виготовлених електродів

a ) Криві CVM та AWCM зі швидкістю сканування 50 мВ/с. ( b ) Криві CV AWCM при різних швидкостях сканування від 10 до 200 мВ/с. ( c ) Питома ємність, обчислена на основі кривих CV у залежності від швидкості сканування. d ) Криві AWCM GCD при різних щільностях струму розряду. ( e ) Графіки Найквіста WCM та AWCM із вставкою, що показує високочастотний діапазон. ( f ) Підтримка потужності AWCM протягом 10000 циклів.

Повнорозмірне зображення

Температура піролізу та активації відіграє важливу роль в електрохімічних властивостях вуглецевого мембранного електрода. Різні вуглецеві мембрани готували при різних температурах піролізу при 600, 800, 1000 та 1200 ° C окремо, а порівняння електрохімічних показників показано на малюнку S5. Видно, що електрохімічні характеристики електрода знижуються при нижчій або вищій температурі, що вказує на те, що 1000 ° С є відповідною температурою для піролізу пелюсток. Крім того, ми вивчали вплив температури активації на електрохімічні характеристики електрода. Як показано на малюнку S6, коли температура активації зросла з 300 до 400 ° C, питома потужність зменшилась з 253,01 до 166, 46 F/g. Отже, найкращою температурою активації вуглецевого мембранного електрода є 300 ° C.

( a ) Схематичне зображення гнучкого суперконденсатора. ( b ) Зображення підготовленого суперконденсатора. c ) Криві CV пристрою при різних швидкостях сканування. ( d ) криві обладнання GCD, отримані при різних щільностях струму. e ) порівняння кривої CV пристрою при різному часі вигину. ( f ) Збереження ємності пристрою протягом 10 разів згинання.

Повнорозмірне зображення

висновки

Коротше кажучи, ми підготували окремо стоячий AWCM з багатих та відновлюваних пелюсток квітів за допомогою термічного піролізу та іншого процесу активації. AWCM зберігає форму та механічну міцність оригінальних пелюсток та успадковує їх зморшкувату мікроструктуру на поверхнях. При товщині лише 5–10 мкм AWCM є гнучким і може працювати як муфта та електрод без струмоприймача для SC. Маючи триелектродну систему в електроліті KCl, AWCM має питому продуктивність 332,7 F/g з чудовими циклічними характеристиками. Гнучкий суперконденсатор з повною ємністю з електродом AWCM демонструє високу питому потужність 154 F/g та хорошу стійкість до вигину, де спостерігалося незначне зменшення ємності після 10 циклів згинання. Це забезпечує економічний та ефективний матеріал електродів для накопичення енергії для гнучких пристроїв.

методи

Виробництво WCM

Пелюстки цвітіння вишні збирали в університеті Чженчжоу і сушили під тиском від 200 до 500 Па. Висушені пелюстки поміщали в трубкову піч і карбонували при 1000 ° С на 1 годину під потоком Ar зі швидкістю потоку 100 sccm. Температура духової шафи - 10 ° C/хв. Щоб запобігти завиванню, пелюстки закріплювали між графітовими подушечками під час процесу карбонізації. Після реакції вуглецеві пелюстки занурювали в 4,0 М HCl на 48 годин для видалення неорганічних домішок.

Виробництво AWCM

Чистий WCM поміщали в трубчасту піч і нагрівали до 300 ° C на повітрі протягом 1 години зі швидкістю удару 10 ° C/хв. Для повного впливу зразка на повітря WCM нагрівали у кварцовій посудині безпосередньо без графітових прокладок.

Морфологія матеріалу та характеристика структури

Скануюча електронна мікроскопія (SEM) та трансмісійна електронна мікроскопія (TEM) проводились на приладах Hitachi S-4800 та FEI Tecnai F20. Зразки рентгенівської дифракції (XRD) були взяті на PANalytical X'Pert порошку з опроміненням Cu. Спектри КРМ збирали за допомогою мікроскопа Renishaw inVia Raman з довжиною хвилі лазера 514,5 нм. Адсорбцію газу N2 вимірювали за допомогою мікроагрегаторного прискореного поверхневого порозиметрію (NOVA 4200e, Китай) з автоматичним адсорбційним аналізатором. Ізотерми адсорбції N2 отримували при 77 K, а питому поверхню (SSA) - аналізом ізотерм адсорбції Брунауер-Еммет-Теллера (BET). Вимірювання за допомогою рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (XPS) проводили на приладі ESCALAB250Xi при базовому тиску 1 х 10 - 9 мбар за допомогою рентгенівського джерела AlKa.

Приготування твердого електроліту

В якості твердого електроліту в суперконденсаторі використовували H3PO4 та полівініловий спирт (PVA). Спочатку 2 г H 3 PO 4 і 2 г PVA поміщали в 20 мл DI води у круглодонну колбу. Потім колбу поміщали в гарячу ванну з температурою 90 ° C при перемішуванні на кілька годин, поки H 3 PO 4 і PVA повністю не розчинилися і не отримали прозорий розчин.

Виробництво суперконденсатора

Спочатку AWCM розрізали на прямокутні смуги розміром 6 мм x 8 мм, потім дві смуги AWCM використовували як суперконденсаторні електроди. З одного боку кожного електрода був підключений дріт Ag для підключення AWCM до зовнішнього контуру, потім гель PVA/H3PO4 покривали з обох сторін електродів AWCM, поки AWCM не були повністю занурені в електроліт PVA/H3PO4. Місце H 3 PO 4 на повітрі при кімнатній температурі протягом 12 годин для випаровування води в електроліті до отримання гелеподібного електроліту. Для розділення двох електродів між двома шматками AWCM вставляли аркуш паперу трохи більший за електродний матеріал. Нарешті, два шматки електродів додатково закріпили ізоляційною стрічкою, і отримали суперконденсатор.

Електрохімічні вимірювання

Електрохімічні вимірювання проводили при кімнатній температурі за допомогою електрохімічної робочої станції (CorrTest CS2350). Випробування циклічної вольтамперометрії та гальваностатичного заряду та розряду проводили у вікні напруги -1 - 0 В при різних швидкостях зондування та фактичних щільностях. Вимірювання спектроскопії електрохімічного імпедансу проводили в діапазоні частот від 100 кГц до 0,01 Гц. Випробування механічної пружності проводили ручним управлінням.

При випробуванні в триелектродній системі для одного електрода його питома потужність, Cs (F/g), може бути розрахована на основі кривих CV, використовуючи

де s - швидкість сканування, V - потенційне вікно, m - маса одного електрода, ja - сила струму.

Коли асиметричний суперконденсатор заряджений, напруга буде накопичуватися на обох електродах. Ємність (C, F) пристрою розраховується за допомогою рівняння

Для ідеального симетричного суперконденсатора питома ємність, Cs (F/g) для активного матеріалу, може бути отримана з ємності пристрою.

$ config [ads_text16] не знайдено

де m - загальна вага активного матеріалу (AWCM).

Детальніше

Як цитувати цю статтю: Ю, X. та ін. М'які та зморщені вуглецеві мембрани, отримані з пелюсток для гнучких суперконденсаторів. Наук. Респ. 7, 45378; doi: 10.1038/srep45378 (2017).

Примітка видавця: Springer Nature залишається нейтральним щодо юрисдикційних вимог опублікованих карт та інституційних відносин.

Історія змін

Додаткова інформація

Документи Word

Додаткова інформація

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватися наших Загальних положень та умов та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте, що це образливий вчинок, який не відповідає нашим умовам чи інструкціям, повідомте про це як про недоречний.