elemeket

Ez a cikk frissült

absztrakt

A biomassza-anyagok mennyiségük, alacsony költségük és megújuló jellegük miatt ígéretes előfutárai a széntartalmú anyagok előállításának. Ebben az esetben a virágsziromból hullámos hullámos szén-membrán (WCM) elektródát nyerünk a rugalmas szuperkondenzátorokhoz (SC). A szénmembránt egyszerű termikus pirolízis eljárással készítettük, majd a mintát levegőn melegítve tovább aktiváltuk. Az aktivált hullámos szénmembrán (AWCM), mint kollektoráram nélküli kötőanyag és elektróda magas fajlagos kapacitást (332,7 F/g) és kiváló ciklikus teljesítményt mutatott 92,3% -os retenciós képességgel 10 000 ciklus alatt. Ezenkívül AWCM elektródával ellátott rugalmas, teljes kapacitású szuperkondenzátort állítottak elő, amelynek maximális fajlagos kapacitása 154 F/g volt, és nagy a hajlékonysági stabilitása. Ennek a virágszirmokon alapuló szénmembránnak a fejlesztése ígéretes költséghatékony és környezetbarát jóindulatú elektród anyagot kínál a rugalmas energiatároláshoz.

Az energiatárolás nagyon kívánatos, hogy megfeleljen a tiszta energia iránti egyre növekvő igénynek. A nagy teljesítménysűrűségű, nagy töltési sebességű és kiváló ciklikus teljesítményű szuperkondenzátorok (SC) nagy figyelmet keltettek az 1., 2., 3. energiatakarékos eszközként. Az SC-ben az elektromos kétrétegű kondenzátor (EDLC) az egyik fő típus, amely elsősorban az elektród és az elektrolit 4 közötti határfelületen lévő ionok felhalmozódásán alapul. Az EDLC elektród anyagok esetében a porózus szenet ideális jelöltnek tekintették magas fajlagos felülete (SSA), jó vezetőképesség és elektrokémiai stabilitás miatt. Különösen az elmúlt években a nano-szénhidrogéneket, például a szén nanocsöveket és a grafént, alaposan megvizsgálták EDLC elektróda anyagaként, kiváló elektrokémiai teljesítménnyel, 5, 6, 7, 8, 9. Ezeknek a nano-szénhidrogéneknek a szintézise azonban a nagyon drága kémiai gőzleválasztási (CVD) folyamat hátrányaitól vagy a mérgező vegyi anyagok alkalmazásával kapcsolatos környezeti problémáktól szenved. Ezért az EDLC gyakorlati felhasználása szempontjából döntő fontosságú az olcsó és nagyteljesítményű szén-dioxid-anyagok széles körű előállítására szolgáló zöld módszerek kifejlesztése.

A biomasszából származó szén ígéretes olcsó elektród anyagot és környezetbarát gyártási folyamatot biztosít. Különböző típusú biomasszát használtak biomasszaként, mint például a leveleket 11, a pomelo bőröket 12, a fűz gyapjúhéjait 13, 14, a tojáshéj membránjait 15, a hínárt 16, a szil samara 17-et, a selymet 18, 19, a cukornádból készült bagetteket 20 és a kávészemeket 21 prekurzorként. nagy fajlagos kapacitású és ciklikus stabilitású porózus szén előállítására. A polimer kötőanyagokat azonban mindig keverik ezekkel a porózus szén-dioxidokkal elektródok képzése céljából, ami további lépéseket igényel, és megakadályozza a pórusokat, ami a fajlagos kapacitás csökkenéséhez vezet. A további keverési folyamat elkerülése és az eszköz gyártásának egyszerűsítése érdekében a rendkívül vonzó szénelektród kötőanyagtól és áramtól mentes.

A közelmúltban szabadon álló szénelektródákat készítettek a bakteriális cellulóz 23, a dinnye 24 és a pamut 25 karbonizálásából. Ezek a szénelektródák azonban háromdimenziós porózus blokk formájában vannak, amely korlátozott rugalmasságot mutat az előkészített eszközökben. A virágszirmok, mint a biomassza egyik legelterjedtebb forrása, egy egylépéses termikus pirolízis eljárással szabadon álló szénmembrángá karbonizálhatók. Más lapos természetes anyagokkal ellentétben a szirmok vastagsága csak 10–20 μm, ami a szénsavas virágmembránok nagy rugalmasságához vezet. Ezeknek a szénmembránoknak egy másik előnye, hogy öröklik a virágszirmok ráncos felületét, amelyek magas SSA-t mutatnak az iontároláshoz. Ezért a virágszirmokon alapuló szénmembránok nagyon ígéretesek, mint a rugalmas SC-k elektródái.

Ebben a munkában hajlékony és ráncos szénmembránokat (WCM) készítettek a virágszirmok első karbonizálásával. Az aktiválási folyamat után a WCM levegőben történő melegítésével magas fajlagos felületű (509 m2/g) AWCM-eket kaptunk. Más biomasszából származó széntartalmú anyagokkal ellentétben nincs szükség további kötőanyagokra és áramgyűjtőkre, ami jelentősen leegyszerűsíti a szuperkondenzátorok gyártási folyamatát. Az AWCM maximális fajlagos kapacitása 332,7 F/g 10 mV/s sebesség mellett és kiváló kerékpáros teljesítmény. Ezenkívül a szénmembrán nagyon rugalmas és nagy rugalmasságú, szimmetrikus, teljesen masszív SC-t eredményez, amely gátolja a 154 F/g fajlagos kapacitást, felülmúlva a többi porózus szén-SC-t. A készülék teljesítménye hajlítás közben nagyon stabil, és 10 hajlítási ciklus után nem észleltek nyilvánvaló kapacitáscsökkenést.

Eredmények és vita

A ráncos szénmembránok szintézise és morfológiája.

Az ebben a dokumentumban használt virágszirmok a Csengcsoui Egyetem campusán betakarított cseresznyevirágokból származnak. A WCM és az ACWM előkészítését röviden szemléltetjük. Az 1a. Ábrán látható részletes kísérleti leírást a módszer szakasz tartalmazza. A WCM-et termikus pirolízissel állítottuk elő 1000 ° C-on Ar védelem alatt. A szénsavas folyamat után a szirom színe világos rózsaszínről feketére változott, ami a szirom szénmembránná történő sikeres átalakulását jelzi. Az SSA WCM növelése érdekében az előkészített szénmembránt tovább 300 ° C-ra hevítettük levegőben. Az aktiválási mechanizmus főként az aktív szénatomok hibákon történő eltávolításán alapul, ami hasonló a pórustermelés folyamatához a grafénben 9. Amint az a 2. ábrán látható. Az Lb, mind a WCM, mind az AWCM megtartotta az eredeti sziromszerkezetet, ami jó mechanikai szilárdságot jelez, mint szabadon álló membrán az EDLC számára. A KOH és ZnCl2 által aktivált szénanyagokhoz képest csak a 15, 20 szénpor nyerhető, a levegőben enyhén hőkezelt szirmok előnyösek egyedi szerkezetük megőrzéséhez.

származó

a ) A WCM és az AWCM gyártási folyamatának sematikus ábrázolása, ahol kétlépcsős karbonizációs és aktiválási módszert alkalmaztak. ( b ) Sziromképek különböző szakaszokban: (I) száraz szirmok, (II) szénsavas szirmok és (III) aktív szénsavas szirmok.

Teljes méretű kép

( a ) SEM és ( b, c ) AWCM nagyított SEM képei a ráncos felületet mutatják. ( d ) SEM és ( e, f ) az AWCM keresztmetszetének nagyított SEM képei. ( g, h ) Az AWCM TEM és nagyított TEM képei.

Teljes méretű kép

Ráncos szénmembrán szerkezetek

( a ) XRD minták és ( b ) Raman spektrum összehasonlítva a WCM-et és az AWCM-et. ( c, d ) N2 adszorpciós és deszorpciós izoterma, valamint WCM és AWCM pórusméret-eloszlás.

Teljes méretű kép

A gyártott elektródák elektrokémiai értékelése

a ) CVM és AWCM görbék 50 mV/s szkennelési sebesség mellett. ( b ) CV AWCM görbék különböző szkennelési sebességeken 10 és 200 mV/s között. ( c ) A CV görbékből kiszámított fajlagos kapacitások a szkennelési sebesség függvényében. d ) A GCD AWCM görbék különböző kisülési áram sűrűség mellett. ( e ) Nyquist WCM és AWCM grafikonok a magas frekvenciatartományt bemutató betéttel. ( f ) Az AWCM kapacitás fenntartása 10000 ciklus alatt.

Teljes méretű kép

A pirolízis és az aktiválási hőmérséklet fontos szerepet játszik a szénmembrán elektród elektrokémiai tulajdonságaiban. Különböző szénmembránokat készítettek különféle pirolízishőmérsékleteken, külön-külön 600, 800, 1000 és 1200 ° C-on, és az elektrokémiai teljesítmény összehasonlítását az S5. Ábra mutatja. Látható, hogy az elektróda elektrokémiai teljesítménye alacsonyabb vagy magasabb hőmérsékleten csökken, ami azt jelzi, hogy a szirom pirolíziséhez 1000 ° C a megfelelő hőmérséklet. Ezenkívül megvizsgáltuk az aktiválási hőmérséklet hatását az elektróda elektrokémiai teljesítményére. Amint az S6. Ábrán látható, az aktiválási hőmérséklet 300-ról 400 ° C-ra emelkedve a fajlagos kapacitás 253,01-ről 166, 46 F/g-ra csökkent. Ezért a szénmembrán elektróda legjobb aktiválási hőmérséklete 300 ° C.

( a ) Rugalmas szuperkondenzátor sematikus ábrázolása. ( b ) Készített szuperkondenzátor képe. c ) eszköz CV görbéi különböző beolvasási sebességekkel. ( d ) különböző áramsűrűséggel kapott GCD-berendezés görbéi. e ) az eszköz CV görbéjének összehasonlítása különböző hajlítási időkben. ( f ) A készülék kapacitásának fenntartása 10 hajlítási idő alatt.

Teljes méretű kép

következtetések

Röviden: gazdag és megújuló virágszirmokból szabadon álló AWCM-et készítettünk termikus pirolízissel és egy újabb aktiválási eljárással. Az AWCM megőrzi az eredeti szirmok alakját és mechanikai szilárdságát, és örökli ráncos mikrostruktúrájukat a felületeken. A mindössze 5–10 μm vastagságú AWCM rugalmas, és kapcsolóként és elektródként is működhet az SC áramszedője nélkül. A KCl elektrolitban található háromelektródás rendszerrel az AWCM 332,7 F/g fajlagos kapacitással rendelkezik, kiváló kerékpáros teljesítménnyel. Az AWCM elektródával ellátott, teljes kapacitású szuperkondenzátor magas fajlagos kapacitása 154 F/g és jó hajlítási stabilitás, ahol 10 hajlítási ciklus után elhanyagolható kapacitáscsökkenést figyeltek meg. Ez költséghatékony és hatékony energiatároló elektród anyagot biztosít a rugalmas eszközök számára.

mód

WCM gyártás

A cseresznyevirág szirmait a Zhengzhou Egyetemen gyűjtötték be, és 200-500 Pa nyomáson szárították. A szárított szirmait tubusos kemencébe helyeztük, és 1 órán át 1000 ° C-on karbonizáltuk Ar áram alatt 100 sccm áramlási sebességgel. A sütő hőmérséklete 10 ° C/perc. A göndörülés megakadályozása érdekében a szirmokat a grafitos párnák közé rögzítették a karbonizációs folyamat során. A reakció után a szénsavas szirmokat 48 órán át 4,0 M sósavoldatba merítettük a szervetlen szennyeződések eltávolítása céljából.

AWCM gyártás

A tiszta WCM-et csőkemencébe helyeztük, és 1 órán át levegőben 300 ° C-ra melegítettük 10 ° C/perc ütközési sebességgel. Ahhoz, hogy a mintát teljes mértékben levegőhöz tegye, a WCM-et kvarcedényben melegítették közvetlenül grafitpárnák nélkül.

Anyagmorfológia és szerkezetjellemzés

Pásztázó elektronmikroszkópiát (SEM) és transzmissziós elektronmikroszkópiát (TEM) hajtottunk végre Hitachi S-4800 és FEI Tecnai F20 készülékeken. Röntgendiffrakciós (XRD) mintákat vettünk PANalytical X'Pert poron, Cu Kairradiation alkalmazásával. A Raman-spektrumokat Renishaw inVia Raman mikroszkóp segítségével gyűjtöttük, lézer hullámhossza 514.5 nm. Az N2 gázadszorpciót Micromeritics gyorsított felületi porozimetriával (NOVA 4200e, Kína) autoadszorpciós analizátorral mértük. Az N2 adszorpciós izotermákat 77 K hőmérsékleten nyertük, és a fajlagos felületet (SSA) az adszorpciós izotermák Brunauer-Emmett-Teller (BET) elemzésével kaptuk. A mérést röntgen fotoelektron spektroszkópiával (XPS) végeztük ESCALAB250Xi műszeren 1 x 10 - 9 mbar alapnyomáson, AlKa röntgenforrással.

Szilárd elektrolit előállítása

H3PO4-et és polivinil-alkoholt (PVA) használtunk szilárd elektrolitként a szuperkondenzátorban. Először egy gömblombikba 2 g H3P04-et és 2 g PVA-t tettünk 20 ml DI vízbe. A lombikot ezután 90 ° C-os forró fürdőbe helyeztük, keverés közben néhány órán át, amíg a H3P04 és a PVA teljesen fel nem oldódott, és tiszta oldatot nem kapott.

Szuperkondenzátor gyártása

Az AWCM-et először 6 mm x 8 mm-es téglalap alakú csíkokra vágtuk, majd két AWCM-szalagot használtunk szuperkondenzátor elektródaként. Minden elektróda egyik oldalán Ag huzalt csatlakoztattak az AWCM és a külső áramkör összekapcsolására, majd a PVA/H3PO4 gélt az AWCM elektródák mindkét oldalán bevonattal látták el, amíg az AWCM-ek teljesen el nem merültek a PVA/H3PO4 elektrolitban. 3 PO 4 levegőben szobahőmérsékleten 12 órán át, hogy az elektrolitban lévő víz elpárologjon, amíg gélszerű elektrolit nem lesz. A két elektróda szétválasztásához az elektród anyagánál kissé nagyobb papírdarabot illesztettek a két darab AWCM közé. Végül a két darab elektródát szigetelőszalaggal tovább rögzítettük, és szuperkondenzátort kaptunk.

Elektrokémiai mérések

Az elektrokémiai méréseket szobahőmérsékleten, elektrokémiai munkaállomás (CorrTest CS2350) alkalmazásával végeztük. A ciklikus voltammetria és a galvanosztatikus töltés és kisütés tesztjeit -1 - 0 V feszültségablakban végeztük, különböző érzékelési sebességekkel és tényleges sűrűséggel. Az elektrokémiai impedancia spektroszkópiai méréseket 100 kHz és 0,01 Hz közötti frekvenciatartományban végeztük. A mechanikai rugalmassági tesztet kézi vezérléssel hajtották végre.

Háromelektródás rendszerben tesztelve egy elektróda esetében a fajlagos kapacitása, Cs (F/g) kiszámítható a CV görbékből

ahol s a letapogatási sebesség, V a potenciálablak, m egy elektróda tömege és ja az áram.

Az aszimmetrikus szuperkondenzátor feltöltésekor mindkét elektródán feszültség halmozódik fel. Az eszköz kapacitását (C, F) az egyenlet segítségével számoljuk ki

Ideális szimmetrikus szuperkondenzátor esetén az aktív anyag fajlagos kapacitása, Cs (F/g) az eszköz kapacitásából származtatható.

A $ config [ads_text16] nem található

ahol m a hatóanyag teljes tömege (AWCM).

További részletek

Hogyan lehet idézni ezt a cikket: Yu, X. és mtsai. Szirmokból származó puha és ráncos szénmembránok rugalmas szuperkondenzátorokhoz. Sci. ismétlés. 7, 45378; doi: 10.1038/srep45378 (2017).

Kiadói megjegyzés: A Springer Nature semleges marad a közzétett térképek és az intézményi kapcsolatok joghatósági állításai tekintetében.

Változástörténet

További információ

Word dokumentumok

További információ

Hozzászólások

Megjegyzés beküldésével vállalja, hogy betartja Általános Szerződési Feltételeinket és közösségi irányelveinket. Ha ezt sértő cselekedetnek találja, amely nem felel meg feltételeinknek vagy irányelveinknek, kérjük, jelölje meg nem megfelelőnek.