obiecte

Acest articol a fost actualizat

abstract

Materialele din biomasă sunt precursori promițătoare pentru producția de materiale carbonice datorită cantității lor, costurilor reduse și regenerabile. În acest caz, materialul pentru un electrod ondulat din membrană de carbon ondulată (WCM) pentru supercondensatori flexibili (SC) a fost obținut din petala florii. Membrana de carbon a fost realizată printr-un proces simplu de piroliză termică și activată în continuare prin încălzirea probei în aer. Membrana de carbon ondulat activ (AWCM) a prezentat sub formă de liant și electrod fără curent colector o capacitate specifică ridicată de 332,7 F/g și o putere ciclică excelentă cu o capacitate de reținere de 92,3% pe 10.000 de cicluri. În plus, a fost produs un supercapacitor flexibil de capacitate completă cu un electrod AWCM și avea o capacitate specifică maximă de 154 F/g și stabilitate mare la flexiune. Dezvoltarea acestei membrane de carbon pe bază de petale de flori oferă un material promițător, eficient din punct de vedere al costurilor și ecologic, pentru stocarea flexibilă a energiei.

Stocarea energiei este extrem de dorită pentru a satisface cererea din ce în ce mai mare de energie curată. Supercondensatoarele (SC) cu densitate mare de putere, viteză mare de încărcare și putere ciclică excelentă au atras multă atenție ca dispozitiv de stocare a energiei extrem de eficient 1, 2, 3. În SC, un condensator electric cu strat dublu (EDLC) este unul dintre principalele tipuri, care se bazează în principal pe acumularea de ioni la interfața dintre electrod și electrolit 4. Pentru materialele cu electrozi EDLC, carbonul poros a fost considerat un candidat ideal datorită suprafeței sale specifice ridicate (SSA), conductivității bune și stabilității electrochimice. Mai ales în ultimii ani, nano-hidrocarburile, cum ar fi nanotuburile de carbon și grafenul, au fost investigate pe larg ca materiale pentru electrozi pentru EDLC, cu performanțe electrochimice excelente de 5, 6, 7, 8, 9. Cu toate acestea, sinteza acestor nano-hidrocarburi suferă de dezavantajele procesului de depunere chimică cu vapori (CVD) foarte scump sau de problemele de mediu asociate cu utilizarea substanțelor chimice toxice. Prin urmare, dezvoltarea metodelor ecologice pentru producerea de materiale de carbon ieftine și performante pe scară largă este crucială pentru utilizarea practică a EDLC.

Carbonul derivat din biomasă oferă un material promițător al electrodului cu un cost redus și un proces de fabricație ecologic. Diferite tipuri de biomasă au fost utilizate ca biomasă, cum ar fi frunzele 11, piei de pomelo 12, piei de lână de salcie 13, 14, membrane de coajă de ou 15, alge 16, ulm samara 17, mătase 18, 19, baghete de trestie de zahăr 20 și boabe de cafea 21 precursor pentru producerea de carbon poros cu capacitate specifică mare și stabilitate ciclică. Cu toate acestea, lianții polimerici sunt întotdeauna utilizați pentru a se amesteca cu aceste materiale poroase de carbon pentru a forma electrozi, ceea ce necesită pași suplimentari și, de asemenea, previne porii, ducând la o reducere a capacității specifice 22. Pentru a evita un proces de amestecare suplimentar și pentru a simplifica procesul de fabricare a dispozitivului, un electrod de carbon extrem de atractiv este lipsit de liant și curent.

Recent, electrozi de carbon independenți au fost realizați din carbonizarea celulozei bacteriene 23, pepene galben 24 și bumbac 25. Cu toate acestea, acești electrozi de carbon sunt sub forma unui bloc poros tridimensional, care prezintă o flexibilitate limitată în dispozitivele pregătite. Petalele de flori, ca una dintre cele mai abundente surse de biomasă, pot fi carbonizate într-o membrană de carbon de sine stătătoare printr-un proces simplu de piroliză termică într-un singur pas. Spre deosebire de alte materiale naturale plate, grosimea petalelor este de numai 10-20 μm, ceea ce duce la o flexibilitate ridicată a membranelor florale carbonizate. Un alt avantaj al acestor membrane de carbon este că moștenesc suprafața ridată a petalelor de flori care prezintă SSA ridicat pentru stocarea ionilor. Prin urmare, membranele de carbon pe bază de petale de flori sunt foarte promițătoare ca electrozi pentru SC flexibile.

În această lucrare, membranele membranelor de carbon flexibile și ridate (WCM) au fost preparate prin carbonizarea petalelor de flori pentru prima dată. După procesul de activare prin încălzirea WCM în aer, s-au obținut AWCM-uri cu o suprafață specifică ridicată (509 m 2/g). Spre deosebire de materialele carbonice derivate din altă biomasă, nu sunt necesari lianți suplimentari și colectoare de curent, ceea ce simplifică mult procesul de fabricație a dispozitivelor cu supercondensator. AWCM are o capacitate specifică maximă de 332,7 F/g la 10 mV/s și performanțe excelente de ciclism. În plus, membrana de carbon este extrem de flexibilă și produce un SC simetric, masiv, cu flexibilitate ridicată, care inhibă o capacitate specifică de 154 F/g, depășind alte SC poroase de carbon. Performanța dispozitivului în timpul îndoirii este foarte stabilă și după 10 cicluri de îndoire nu a fost detectată o scădere evidentă a capacității.

rezultate si discutii

Sinteza și morfologia membranelor de carbon ridate.

Petalele de flori utilizate în acest document sunt cele derivate din flori de cireșe colectate în campusul Universității Zhengzhou. Pregătirea WCM și ACWM este ilustrată pe scurt în FIG. 1a și o descriere experimentală detaliată este dată în secțiunea metodă. WCM a fost preparat prin piroliză termică la 1000 ° C sub protecție Ar. După procesul de carbonizare, culoarea petalei s-a schimbat de la roz deschis la negru, indicând o transformare reușită a petalei într-o membrană de carbon. Pentru a crește SSA WCM, membrana de carbon pregătită a fost încălzită în continuare la 300 ° C în aer. Mecanismul de activare se bazează în principal pe îndepărtarea atomilor de carbon activ în defecte, care este similar cu procesul de producție a porilor din grafenul 9. Așa cum se arată în FIG. Lb, atât WCM cât și AWCM au păstrat structura originală a petalelor, indicând o rezistență mecanică bună ca membrană de sine stătătoare pentru EDLC. În comparație cu materialele de carbon activate de KOH și ZnCl2, se poate obține doar pulbere de carbon 15, 20, petalele ușor tratate termic din aer sunt benefice pentru menținerea structurii lor unice.

carbon

A ) Reprezentarea schematică a procesului de producție WCM și AWCM în care a fost adoptată o metodă de carbonizare și activare în doi pași. ( b ) Imagini petale în diferite etape: (I) petale uscate, (II) petale carbonizate și (III) petale carbonizate activate.

Imagine la dimensiune completă

( A ) SEM și ( b, c ) imagini SEM mărite ale AWCM care arată suprafața ridată. ( d ) SEM și ( e, f ) imagini SEM mărite ale secțiunii transversale AWCM. ( g, h ) TEM și imagini TEM mărite ale AWCM.

Imagine la dimensiune completă

Structuri de membrană de carbon ridate

( A ) Modele XRD și ( b ) Spectrul Raman comparând WCM și AWCM. ( c, d ) Izoterma de adsorbție și desorbție N2 și distribuția mărimii porilor WCM și AWCM.

Imagine la dimensiune completă

Evaluarea electrochimică a electrozilor fabricați

A ) Curbe CV WCM și AWCM la o viteză de scanare de 50 mV/s. ( b ) Curbe CV AWCM la diferite viteze de scanare de la 10 la 200 mV/s. ( c ) Capacități specifice calculate din curbele CV în funcție de viteza de scanare. d ) Curbele GCD AWCM la diferite densități de curent de descărcare. ( e ) Graficele Nyquist WCM și AWCM cu o inserție care prezintă gama de frecvențe înalte. ( f ) Menținerea capacității AWCM peste 10000 de cicluri.

Imagine la dimensiune completă

Piroliza și temperatura de activare joacă un rol important în proprietățile electrochimice ale electrodului cu membrană de carbon. Au fost preparate diferite membrane de carbon la diferite temperaturi de piroliză la 600, 800, 1000 și 1200 ° C separat, iar o comparație a performanței electrochimice este prezentată în Figura S5. Se poate observa că performanța electrochimică a electrodului scade la o temperatură mai mică sau mai mare, indicând faptul că 1000 ° C este o temperatură adecvată pentru piroliza petalelor. În plus, am studiat efectul temperaturii de activare asupra performanței electrochimice a electrodului. Așa cum se arată în Figura S6, pe măsură ce temperatura de activare a crescut de la 300 la 400 ° C, capacitatea specifică a scăzut de la 253,01 la 166, 46 F/g. Prin urmare, cea mai bună temperatură de activare pentru un electrod cu membrană de carbon este de 300 ° C.

( A ) Reprezentarea schematică a unui supercondensator flexibil. ( b ) Imaginea unui supercondensator pregătit. c ) Curbele CV ale dispozitivului la diferite viteze de scanare. ( d ) curbele echipamentelor GCD obținute la diferite densități de curent. e ) comparația curbei CV a dispozitivului la diferite momente de îndoire. ( f ) Menținerea capacității dispozitivului în 10 timpi de îndoire.

Imagine la dimensiune completă

concluzii

Pe scurt, am pregătit AWCM independent din petale de flori bogate și regenerabile prin piroliză termică și un alt proces de activare. AWCM păstrează forma și rezistența mecanică a petalelor originale și moștenește microstructura ridată a acestora pe suprafețe. Cu o grosime de numai 5-10 μm, AWCM este flexibil și poate funcționa ca cuplaj și electrod fără un colector de curent pentru SC. Cu un sistem cu trei electrozi în electrolitul KCl, AWCM are o capacitate specifică de 332,7 F/g, cu performanțe excelente de ciclism. Supercapacitorul flexibil de capacitate completă cu electrod AWCM prezintă o capacitate specifică ridicată de 154 F/g și o bună stabilitate la îndoire, unde s-a observat o scădere neglijabilă a capacității după 10 cicluri de îndoire. Acest lucru asigură un material cu electrod de stocare a energiei eficient și rentabil pentru dispozitive flexibile.

metode

Producția WCM

Petalele unei flori de cireș au fost colectate la Universitatea Zhengzhou și uscate la o presiune cuprinsă între 200 - 500 Pa. Petalele uscate au fost plasate într-un cuptor cu tub și carbonizate la 1000 ° C timp de 1 oră sub un curent de Ar la un debit de 100 sccm. Temperatura cuptorului este de 10 ° C/min. Pentru a preveni ondularea, petalele au fost fixate între tampoane de grafit în timpul procesului de carbonizare. După reacție, petalele carbonizate au fost scufundate în HCI 4,0 M timp de 48 de ore pentru a îndepărta impuritățile anorganice.

Producția AWCM

WCM pur a fost plasat într-un cuptor cu tub și încălzit la 300 ° C în aer timp de 1 oră la o rată de impact de 10 ° C/min. Pentru a expune complet eșantionul la aer, WCM a fost încălzit într-un vas de cuarț direct, fără tampoane de grafit.

Morfologia materială și caracterizarea structurii

Microscopia electronică de scanare (SEM) și microscopia electronică de transmisie (TEM) au fost efectuate pe instrumentele Hitachi S-4800 și FEI Tecnai F20. Probele de difracție cu raze X (XRD) au fost prelevate pe o pulbere PANalitică X'Pert cu radiație Cu. Spectrele Raman au fost colectate utilizând un microscop Renishaw inVia Raman cu o lungime de undă laser de 514,5 nm. Adsorbția gazului N2 a fost măsurată folosind un analizor de auto-adsorbție cu porozimetrie accelerată Micromeritics (NOVA 4200e, China). Izotermele de adsorbție N2 au fost obținute la 77 K, iar suprafața specifică (SSA) a fost obținută prin analiza Brunauer-Emmett-Teller (BET) a izotermelor de adsorbție. Măsurarea prin spectroscopie fotoelectronică cu raze X (XPS) a fost efectuată pe un instrument ESCALAB250Xi la o presiune de bază de 1 x 10 - 9 mbar cu o sursă de raze X AlKa.

Pregătirea electrolitului solid

H3PO4 și alcoolul polivinilic (PVA) au fost utilizate ca electrolit solid în supercondensator. Mai întâi, 2 g de H3P04 și 2 g de PVA au fost plasate în 20 ml apă DI într-un balon cu fund rotund. Balonul a fost apoi plasat într-o baie fierbinte la 90 ° C cu agitare timp de câteva ore până când H3P04 și PVA s-au dizolvat complet și s-a obținut o soluție limpede.

Producerea supercondensatorului

AWCM a fost tăiat mai întâi în benzi dreptunghiulare de 6 mm x 8 mm, apoi două benzi AWCM au fost utilizate ca electrozi de supercapacitor. Un fir Ag a fost conectat pe o parte a fiecărui electrod pentru a conecta AWCM la circuitul extern, apoi gelul PVA/H3PO4 a fost acoperit pe ambele părți ale electrozilor AWCM până când AWCM-urile au fost complet scufundate în electrolitul PVA/H3PO4. 3 PO 4 în aer la temperatura camerei timp de 12 ore pentru a evapora apa din electrolit până se obține un electrolit de tip gel. Pentru a separa cei doi electrozi, o bucată de hârtie puțin mai mare decât materialul electrodului a fost introdusă între cele două bucăți de AWCM. În cele din urmă, cele două bucăți de electrozi au fost fixate în continuare cu bandă izolatoare și s-a obținut un supercondensator.

Măsurători electrochimice

Măsurătorile electrochimice au fost efectuate la temperatura camerei folosind o stație de lucru electrochimică (CorrTest CS2350). Testele de voltametrie ciclică și de încărcare și descărcare galvanostatică au fost efectuate într-o fereastră de tensiune de -1 - 0 V la diferite viteze de detectare și densități reale. Măsurătorile spectroscopiei de impedanță electrochimică au fost efectuate în intervalul de frecvență de la 100 kHz la 0,01 Hz. Testul de elasticitate mecanică a fost efectuat prin control manual.

Când este testat într-un sistem cu trei electrozi, pentru un electrod, capacitatea sa specifică, Cs (F/g), poate fi calculată din curbele CV folosind

unde s este rata de scanare, V este fereastra potențială, m este masa unui electrod și ja este curentul.

Când se încarcă supercondensatorul asimetric, tensiunea se va acumula pe ambii electrozi. Capacitatea (C, F) a dispozitivului este calculată folosind ecuația

Pentru un supercondensator simetric ideal, capacitatea specifică, Cs (F/g) pentru materialul activ, poate fi derivată din capacitatea dispozitivului.

$ config [ads_text16] nu a fost găsit

unde m este greutatea totală a materialului activ (AWCM).

Mai multe detalii

Cum se citează acest articol: Yu, X. și colab. Membranele de carbon moi și ridate derivate din petale pentru supercondensatoare flexibile. Știință. reprezentant. 7, 45378; doi: 10.1038/srep45378 (2017).

Nota editorului: Springer Nature rămâne neutru în ceea ce privește revendicările jurisdicționale ale hărților și relațiilor instituționale publicate.

Istoricul modificărilor

Informatii suplimentare

Documente Word

Informatii suplimentare

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă considerați că acesta este un act ofensator care nu este conform cu termenii sau liniile directoare, vă rugăm să îl marcați ca fiind inadecvat.