一種簡易活化碳紙的方法及其在超級電容器上的應(yīng)用

馮靖　李芷菁　麥春強　鄭澤翔　梁建東　蘇奎　黃衛(wèi)清　程志毓

(東莞理工學(xué)院　生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，廣東東莞　523808)

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一種簡易活化碳紙的方法及其在超級電容器上的應(yīng)用

馮靖李芷菁麥春強鄭澤翔梁建東蘇奎黃衛(wèi)清程志毓*

(東莞理工學(xué)院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院，廣東東莞523808)

首次報道了一種普通碳紙的簡易活化方法，活化后的碳紙作為超級電容器正極材料使用可以顯著提高其電化學(xué)電容性能。該方法首次采用重鉻酸鉀洗液處理普通碳紙，改變了其表面拓撲結(jié)構(gòu)。通過SEM觀察，發(fā)現(xiàn)活化碳紙表面變得粗糙，比表面積明顯增大；另一方面對活化碳紙進行接觸角測試，接觸角明顯減小表明表面親水性提高。比表面積增大和親水性增加的協(xié)同作用使得活化碳紙構(gòu)筑的超級電容器展示出優(yōu)異的電容特性。該方法也有望拓展到超級電容器用其他碳基材料上。

超級電容器；活化碳紙；重鉻酸鉀；分布電容

超級電容器因為高功率密度、卓越的穩(wěn)定性、易操控性等特點作為一種非常有潛力的儲能裝置在近幾年備受人們廣泛關(guān)注[1-6]。電極材料的選擇對提高超級電容器性能尤為關(guān)鍵，它決定著超級電容器的主要性能指標。各種不同形態(tài)的碳基材料，特別是大比表面積的碳納米管和石墨烯，常被用來作為超級電容器的電極材料。與碳納米管和石墨烯相比，普通碳紙具有低成本優(yōu)勢，也被廣泛用來作為超級電容器電極材料使用[7]。因為普通碳紙的比表面積小，其構(gòu)筑的超級電容器比電容值較低。本文提出了一種簡易有效的方法來提高碳紙的比表面積和親水性，從而增加了電化學(xué)電容性能。

1　實驗部分

活化碳紙(ACP)的制備：將普通碳紙CP(吉興勝安公司產(chǎn)品，密度31 mg/cm2)裁剪成1.0 cm×5.0 cm的樣品，浸泡于重鉻酸鉀的硫酸溶液(3 g重鉻酸鉀緩慢加入至30 mL濃硫酸中)10 min后取出，用蒸餾水沖洗多次，在150 °C加熱2 h進行干燥處理，獲得活化碳紙ACP。

表征方法：所制備的樣品形貌分析通過配備有INCA PENTAX ETx3 X射線能譜儀(EDS)檢測器的JEOL6701F掃描電子顯微鏡(SEM)表征；接觸角通過德國Dataphysics OCA20表面張力計(25 °C)測試；采用CHI 440a電化學(xué)工作站進行循環(huán)伏安法(CV)和恒流充放電測試，具體測試條件為：采用三電極系統(tǒng)，1.0 M Na2SO4作電解質(zhì)，CP或者ACP(浸入面積1.0 cm2)作為工作電極，Ag / AgCl(3.0 M KCl)和Pt絲分別作為參比和對電極。

2　結(jié)果與討論

2.1微觀形貌和潤濕性

為了觀察碳紙的微觀形貌，對普通碳紙CP和活化碳紙ACP進行掃描電鏡觀察，如圖1所示。未經(jīng)處理的CP表面平整光滑。重鉻酸鉀洗液活化后，ACP的表面變得粗糙，比表面積增大。樣品的潤濕性采用水接觸角測試進行表征，一般來說,如果水接觸角小于90°，表明樣品表面為親水性。圖2中ACP的接觸角為70.2±0.5°小于CP的117.0±0.5°，表明重鉻酸鉀洗液處理后的碳紙，其表面親水性明顯提高。這可能歸因于親水性基團如羥基(―OH)，羰基(>C=O)和羧基(―COOH)在碳紙表面的引入，并且它們作為極性位點吸附水分子[8]。

圖2　水滴上的橫截面視圖 (A) CP；(B) ACP

2.2循環(huán)伏安法(CV)和恒流充放電測試

圖3　(A)ACP在不同掃描速率下的CV圖；(B)CP和ACP的分布電容對掃描速率的依賴性；(C)掃描速率為10 mV/s時CP和ACP的CV圖；(D)掃描速率為10 mV/s時CP和ACP的分布電容值對比圖

圖4　(A)在不同電流密度下ACP的恒流充放電曲線；(B)ACP分布電容對電流密度的依賴性

圖5　電流密度為10 mA/cm2時ACP電容保持率對循環(huán)次數(shù)的依賴性

3　結(jié)語

本文首次報道了重鉻酸鉀洗液活化普通碳紙，活化后的碳紙作為超級電容器正極材料使用可以顯著提高其電化學(xué)電容性能?；罨技埍砻孀兊么植?，比表面積明顯增大；活化碳紙表面親水性明顯提高。大的比表面積和良好的親水性的協(xié)同作用使得活化碳紙構(gòu)筑的超級電容器展示出優(yōu)異的電容特性。另一方面活化碳紙構(gòu)筑的超級電容器快速充放電2 000次，分布電容僅衰減4 %。該方法也有望拓展到超級電容器用其他碳基材料上。

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Preparation of Activated Carbon Paper Through a Facile Method and Application as Supercapacitor

FENG JingLI ZhijingMAI ChunqiangZHENG ZexiangLIANG JiandongSU KuiHUANG WeiqingCHENG Zhiyu

(College of Environment and Civil Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan 523808，China)

In this paper, a facile method by potassium dichromate lotion to activate surfaces of Carbon Papers (CP) leading to enhanced electrochemical capacitances was reported. It is shown that surfaces of Activated Carbon Papers (ACP) became rougher and their specific surface areas enlarged after treatment. Furthermore, surface hydrophilicity of the treated carbon papers enhanced. With the synergistic effect of enlarged specific surface area and enhanced surface hydrophilicity, the ACP provides high areal capacitances.

supercapacitor；Activated Carbon Paper；potassium dichromate；areal capacitance

2016-08-29

東莞理工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃立項項目(201511819031；201511819034；201611819158)。

馮靖(1992—)，男，廣東高州人，主要從事超級電容器正極材料的研究。

程志毓(1980—)，男，湖北荊州人，副研究員，博士，主要從事儲能材料的研究。

O646.54

A

1009-0312(2016)05-0067-04