不同種類木材碳化電極的制備及性能

陳洋洋，張清桐，遲明超，郭晨艷，王雙飛，閔斗勇

(廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院；廣西清潔化制漿造紙與污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004)

化石燃料的過(guò)度消耗，帶來(lái)了日益嚴(yán)峻的溫室效應(yīng)和不斷上漲的能源成本，促使人們對(duì)新型能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換裝置和可再生的生物質(zhì)資源及其衍生產(chǎn)品進(jìn)行大量研究和應(yīng)用[1-3]。新型電極材料的開發(fā)和電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于超級(jí)電容器和鋰離子電池等新型儲(chǔ)能裝置的制備和性能的提高至關(guān)重要[4]。常規(guī)電極的制造通常將活性材料、導(dǎo)電添加劑和黏合劑混合在有機(jī)溶劑中形成均勻的漿料，然后將漿料涂覆在金屬集流體(泡沫鎳、鋁箔、銅箔)上制備成電極[5-6]。然而這種電極的設(shè)計(jì)存在不少缺陷，例如：①集流體和添加劑等對(duì)容量無(wú)貢獻(xiàn)材料的使用降低了設(shè)備的比能量密度；②較差的機(jī)械穩(wěn)定性導(dǎo)致活性材料容易從集流體上脫落，難以提高活性材料的負(fù)載量；③堆疊的電極結(jié)構(gòu)極大地增加了離子擴(kuò)散的阻力，限制了活性材料性能的發(fā)揮，難以制備出高性能的厚電極[6-8]。這種厚電極的設(shè)計(jì)不僅減少了非活性材料層數(shù)，還可以大幅度提高陰極和陽(yáng)極中活性材料的堆積密度，極大地提高儲(chǔ)能裝置的能量密度，且降低制造成本，因此受到越來(lái)越多的重視[6, 8-9]。

木材作為一種可再生、可降解、碳中和的生物質(zhì)資源，地理分布廣泛并且易于獲取。木材在數(shù)億年的進(jìn)化過(guò)程中，形成了天然的多層級(jí)孔結(jié)構(gòu)，具有高效的水分和養(yǎng)分輸送能力以及極高的機(jī)械穩(wěn)定性和耐久性[10]。通過(guò)合適的碳化工藝，木材可以碳化成碳化木材(CW)電極，并保留木材低彎曲度、高機(jī)械強(qiáng)度的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和細(xì)胞間用于物質(zhì)輸送的紋孔結(jié)構(gòu)。同時(shí)，CW電極兼具碳材料質(zhì)量輕、比表面積高、導(dǎo)電性良好和化學(xué)穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)[7, 11]。這種輕質(zhì)、低彎曲度和高電導(dǎo)率的管道結(jié)構(gòu)減少了離子的擴(kuò)散路徑，提供了快速的電子傳輸路徑，提高了活性材料的負(fù)載量和整體器件的能量密度，對(duì)于制備厚電極至關(guān)重要[6]。這使得CW電極非常適合取代集流體，直接用于制備高負(fù)載量的一體化厚電極[9]。近年來(lái)CW電極被逐步用于各種功能應(yīng)用(超級(jí)電容器[12]、高性能鋰電池的電極[13]、電解催化制氧氣[14]和氫氣[15]，以及催化降解有機(jī)污染物[16]等)中，并且取得了優(yōu)異的應(yīng)用效果，引起了廣泛的關(guān)注。

由于木材種類和生長(zhǎng)地理環(huán)境的差異，不同的木材表現(xiàn)出獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，使得碳化木材電極在微觀結(jié)構(gòu)上也存在較大的差異，這為不同應(yīng)用選擇合適的木材提供了可能。具體而言，針葉木(松木、云杉、側(cè)柏等)主要由極長(zhǎng)的均質(zhì)管胞有序排列而成，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于生長(zhǎng)速度快，木材的密度相對(duì)較低[17]。闊葉木(櫸木、椴木、泡桐等)由于進(jìn)化程度高，組成的細(xì)胞種類較為復(fù)雜，主要由纖維細(xì)胞、導(dǎo)管和徑向分布的木射線細(xì)胞等組成，木材密度和機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)更高[18]。不同木材在化學(xué)成分上也存在一定的差異，主要由纖維素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%～50%)、半纖維素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～30%)和木素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%～30%)組成[19]。其中，纖維素以微纖維的形態(tài)存在于細(xì)胞壁中，半纖維素以無(wú)定型狀態(tài)分布于微纖維周圍，而木素以黏合劑形式填充在細(xì)胞壁中[3]。微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分上的差異，從根本上對(duì)碳化木材電極的微觀結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性能、機(jī)械強(qiáng)度和孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而在后續(xù)應(yīng)用中對(duì)超級(jí)電容器性能[20]、電磁波吸收[21]、活性物質(zhì)負(fù)載[6]、催化反應(yīng)接觸面積和反應(yīng)速率[22]、反應(yīng)物和生成物的傳質(zhì)速率[23]產(chǎn)生影響。

筆者以紅花梨、櫸木、白蠟?zāi)?、黑胡桃、楊木、椴木、松木和桐?種木材為原料，采用低惰性氣流量的自活化碳化方法，制備具有高比表面積和高電導(dǎo)率的自活化CW電極，并對(duì)電極性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析與比較，為選擇合適的木材制備高性能CW電極提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

紅花梨、櫸木、白蠟?zāi)?、黑胡桃、楊木、椴木、松木和桐木?種原料購(gòu)自惠州市無(wú)雙木業(yè)有限公司；高純氬氣(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.999%)購(gòu)自廣西瑞達(dá)化工科技有限公司；濃鹽酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)36%)和乙醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%)購(gòu)自南寧融儀實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；氫氧化鉀(質(zhì)量分?jǐn)?shù)95%)購(gòu)自上海麥克林生化科技有限公司。所用試劑均為分析純。

1.2 CW電極的制備

采用帶鋸機(jī)(FS-D80型，上海福賽機(jī)械有限公司)將木材沿垂直生長(zhǎng)方向切成2.0 cm(徑向)×2.0 cm(弦向)×0.25 cm(軸向)的薄木片。取10 g木片(絕干質(zhì)量)在80 ℃的去離子水中加熱4 h，除去部分無(wú)機(jī)鹽和抽出物，達(dá)到疏通管道的作用[24]。將清洗后的木片自然風(fēng)干24 h，再將風(fēng)干的木片在鼓風(fēng)干燥箱中以1 ℃/min的升溫速率升至220 ℃預(yù)氧化4 h。將預(yù)氧化好的木片轉(zhuǎn)移至管式爐(XD-10-6型，洛陽(yáng)星鼎窯爐有限公司)中，通入1.5 L/min的氬氣30 min排出管內(nèi)空氣，然后以5 ℃/min 的升溫速率和5 mL/min的氬氣流量在1 000 ℃下碳化3 h，自然冷卻至室溫。將制備的不同CW用2 000目砂紙打磨后裁切成10 mm×10 mm×1 mm的電極片，分別在0.5 mol/L鹽酸、乙醇和水中超聲處理15，60和30 min，在80 ℃下真空干燥10 h后獲得CW電極樣品。

1.3 性能測(cè)試及表征

1.3.1 樣品的微觀形貌

采用掃描電子顯微鏡(SEM，F(xiàn)16502型，荷蘭PHENOM公司)獲取CW電極的俯視和橫截面微觀形貌。使用Nano Measurer 1.2軟件對(duì)CW電極的管道直徑和細(xì)胞壁厚度進(jìn)行采樣分析，其中細(xì)胞壁厚度分布圖通過(guò)采樣120次得到。

1.3.2 物理性能測(cè)試

木材密度的測(cè)定：參照GB/T 1929—2009《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》截取木材試樣；參照 GB/T 1933—2009《木材密度測(cè)定方法》對(duì)木材密度進(jìn)行測(cè)定。

電極樣品密度的測(cè)定：稱取真空干燥后電極樣品的質(zhì)量，計(jì)算電極體積(10 mm×10 mm×1 mm)后，得到電極樣品密度。每種試樣重復(fù)測(cè)量3次，取算數(shù)平均值。

抗壓強(qiáng)度測(cè)試：采用萬(wàn)能材料拉力機(jī)(INSTRON 3360型，美國(guó)英斯特朗公司)對(duì)不同CW電極的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。以1 mm/min速率沿電極厚度方向?qū)ζ溥M(jìn)行施壓，直至電極樣品壓潰。

導(dǎo)電性能測(cè)試：采用四探針測(cè)試儀(RTS-9型，廣州四探針科技有限公司)對(duì)不同CW電極的導(dǎo)電性能進(jìn)行測(cè)試。干燥CW電極樣品上測(cè)3個(gè)不同位點(diǎn)，取算數(shù)平均值。

孔隙結(jié)構(gòu)分析測(cè)試：在300 ℃下脫氣12 h后，采用比表面積和孔隙分析儀(ASAP-2460型，麥克默瑞提克(上海)有限公司)測(cè)試不同CW電極的氮?dú)馕锢砦?脫附等溫曲線，根據(jù)Brunauer-Emmett-Teller(BET)、Barrett-Joyner-Halenda(BJH)理論和t-plot法分別計(jì)算出試樣的比表面積、孔徑分布和孔體積。

1.3.3 電化學(xué)性能測(cè)試

采用電化學(xué)工作站(Autolab M204型，瑞士Metrohm公司)在室溫下對(duì)不同CW電極的三電極體系進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。CW電極、商業(yè)Pt電極和Hg/HgO電極分別用作工作電極、對(duì)電極和參比電極，電解液為2.0 mol/L KOH溶液。在-1～0 V工作電壓范圍內(nèi)，以10 mV/s的掃描速率測(cè)試循環(huán)伏安(CV)特性，以5 mA/cm2的電流密度測(cè)試恒電流充放電(GCD)性能，分別獲取CV和GCD曲線。以5 mV的擾動(dòng)電壓，在0.1 mHz～10 kHz頻率范圍內(nèi)的開路電壓下測(cè)試電化學(xué)阻抗圖譜(EIS)。不同CW電極的面積比電容(Cs，F(xiàn)/cm2)和質(zhì)量比電容(Cm，F(xiàn)/g)采用以下公式計(jì)算得到：

(1)

(2)

式中：I為放電電流，A；ΔV為放電過(guò)程中電位的變化范圍，V；Δt為放電時(shí)間，s；S為CW電極的幾何面積，cm2；m為CW電極的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 CW電極微觀形貌分析

CW電極保留了木材天然管道狀的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖1a顯示CW-紅花梨含有大量直徑2～30 μm的管道和極少量直徑220 μm左右的管道，同時(shí)橫向分布著大量由木射線細(xì)胞碳化形成的管道。圖1b顯示CW-紅花梨垂直分布的管道并不完全貫通，被大量橫向分布的管道阻斷，同時(shí)橫向分布的管道也被大量隔板阻斷，通透性較差。圖1c顯示CW-櫸木主要由直徑40～60 μm的管道及其周圍包裹的大量直徑3～6 μm的管道組成。圖1d顯示幾乎所有垂直的管道上下貫通，僅有少量橫向分布的管道。圖1e、f顯示CW-白蠟?zāi)竞写罅恐睆?0～25 μm的管道，同時(shí)，大量橫向分布的管道使得垂直分布的管道彎曲且不完全暢通。圖1g、h顯示CW-黑胡桃主要由直徑5～12 μm的管道和少量直徑180～220 μm的管道組成；由于橫向分布的管道較少且直徑較小，垂直的管道較為暢通。圖1i、j顯示CW-楊木主要由少量直徑60～90 μm的管道及其周圍包裹的大量直徑5～20 μm的管道組成；橫向分布的管道較少，管道較暢通。圖1k、l顯示CW-椴木主要由直徑50～70 μm的管道及其周圍包裹的大量直徑5～20 μm的管道組成，管道極為暢通。圖1m、n顯示CW-松木管道的尺寸分布最為均勻，主要由長(zhǎng)、寬為20～40 μm的矩形管道組成，管道極為暢通。圖1o、p顯示CW-桐木由極少量直徑110～140 μm的管道及其周圍包裹的大量直徑5～30 μm的管道組成，管道相對(duì)通暢。其中，松木、椴木、楊木和櫸木等原料因具有暢通的低彎曲度管胞結(jié)構(gòu)，被廣泛用于厚電極的制備[8-9,25-26]。

a、b)CW-紅花梨；c、d)CW-櫸木；e、f)CW-白蠟?zāi)荆籫、h)CW-黑胡桃；i、j)CW-楊木；k、l)CW-椴木；m、n)CW-松木；o、p)CW-桐木。圖1 不同CW電極的俯視和橫截面SEM圖Fig. 1 Top view and cross section SEM of the CW electrodes

CW電極的平均管壁厚度隨著電極樣品密度降低而下降的趨勢(shì)見圖2。其中，CW-黑胡桃的平均管壁厚度偏高，達(dá)到2.56 μm，僅低于CW-紅花梨的平均管壁厚度(2.73 μm)。這是因?yàn)镃W-黑胡桃中較多直徑180～220 μm的管道顯著地降低了電極樣品的密度。此外，CW-桐木的平均管壁厚度最低，僅1.32 μm。

a)紅花梨；b)櫸木；c)白蠟?zāi)?；d)黑胡桃；e)楊木；f)椴木；g)松木；h)桐木。圖2 不同CW電極管壁厚度分布Fig. 2 The thickness distribution of different CW electrode tube wall

2.2 CW電極物理性能分析

圖3 不同木材密度(a)和不同CW電極的碳化得率(b)、碳化收縮率(c)、密度(d)、電導(dǎo)率(e)及抗壓強(qiáng)度(f)Fig. 3 Density of differrent wood (a) and carbonization yield (b), carbonization shrinkage (c), density (d), conductivity (e), tensile strength (f) of different CW electrodes

8種木材密度為0.28～0.79 g/cm3, 如圖3a所示，涵蓋了針葉材和闊葉材原料。圖3b顯示CW碳化得率為17.6%～24.0%。其中，櫸木和楊木的碳化得率相對(duì)較低，僅為17.7%和17.6%，這是由于其木素含量較低，僅為20%(表1)[27-31]。圖3c顯示CW電極的徑向收縮率和弦向收縮率分別為30.5%～39.2%和34.8%～44.8%。由于木材徑向具有許多木射線細(xì)胞，在碳化過(guò)程中木射線細(xì)胞徑向支撐著整個(gè)碳骨架，阻礙了徑向的收縮，使得碳電極徑向收縮率相對(duì)較低。其中，桐木由于含有較少的木射線細(xì)胞，徑向和橫向收縮率相近。圖3d顯示CW電極密度與木材密度呈正相關(guān)。由于木材原料的碳化得率與收縮率較為接近，因此木材原料密度成為CW密度的主要影響因素。圖3e顯示CW電極電導(dǎo)率與電極樣品密度呈正相關(guān)。其中，CW-櫸木和CW-楊木電導(dǎo)率相對(duì)較低，主要是因?yàn)閮烧吆休^多碳水化合物(表1)，更多的氧原子含量使得前驅(qū)體在碳化過(guò)程中不易石墨化[32]；同時(shí)產(chǎn)生更多的CO2和H2O會(huì)進(jìn)一步刻蝕碳基底，使得電極的整體石墨化程度進(jìn)一步降低[33-34]。圖3f顯示CW電極抗壓強(qiáng)度也與電極樣品密度呈正相關(guān)，其中，CW-黑胡桃的抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到110.4 MPa。這得益于CW-黑胡桃具有細(xì)長(zhǎng)的管道結(jié)構(gòu)(圖1h)和超厚的細(xì)胞壁厚度(圖2d)。CW-櫸木和CW-楊木的抗壓強(qiáng)度較低，僅67.8和29.3 MPa。主要原因是CW-櫸木和CW-楊木具有發(fā)達(dá)的中孔結(jié)構(gòu)，使得電極樣品在壓縮過(guò)程中更容易產(chǎn)生裂隙而被壓潰。

表1 不同木材的組分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Components and mass ratios of different woods 單位：%

不同CW電極的吸附-脫附曲線和孔徑分布曲線如圖4所示。由圖4a、b可知，CW電極的吸附-脫附曲線屬于Ⅳ型等溫曲線，在低壓區(qū)(P/P0=0.0～0.1)快速上升，在中壓區(qū)出現(xiàn)明顯回滯環(huán)，表明采用低惰性氣體流量的自活化碳化方法制備的CW是一種微介孔的碳材料[35-36]。H4型回滯環(huán)表明CW的孔結(jié)構(gòu)是一種狹窄的楔形孔。在升溫?zé)峤怆A段，木材原料的氧、氫元素會(huì)以CO2和水蒸氣的形式釋放出來(lái)，在初步石墨化的碳層中留下大量狹縫型的微孔[37]。在極低氣體流量下，釋放的活性氣體得以保留；在后續(xù)碳化階段，活性氣體與狹縫中暴露的活性碳原子進(jìn)一步反應(yīng)形成微孔；在活化和高溫作用下微孔相互連接、拓寬形成大量的中孔，進(jìn)而形成少量的大孔。由圖4c、d可知，CW電極孔徑主要分布在50 nm以內(nèi)，其中微孔尺寸為1.10 nm 左右，介孔尺寸為2～20 nm。CW-櫸木和CW-楊木具有極高的微孔和介孔孔容，CW-櫸木的介孔尺寸在10 nm左右，CW-楊木的介孔尺寸在 6.5 nm左右。這是因?yàn)闄文竞蜅钅竞懈嗟奶妓衔?，在碳化過(guò)程中釋放出更多的活性氣體，具有相對(duì)較低的碳化得率，表現(xiàn)出更強(qiáng)的自活化作用。

圖4 不同CW電極的吸附-脫附曲線(a、b)和孔徑分布曲線(c、d)Fig. 4 Adsorption-desorption curves (a, b) and pore size distribution curves (c, d) of different CW electrodes

據(jù)理論計(jì)算，不同CW電極的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。自活化碳化方法制備的CW電極比表面積均超過(guò)640 m2/g，高于CO2氛圍下750 ℃活化10 h制備的比表面積為420.0 m2/g的AWC電極[38]。其中，CW-櫸木比表面積更是高達(dá)1 018.0 m2/g，是迄今為止未添加任何活化劑，僅通過(guò)直接碳化制備的比表面積最高的CW電極。從表2中可以看出，CW-紅花梨和CW-黑胡桃平均孔徑小于2 nm。這可能是因?yàn)閮烧哌^(guò)厚的管壁使得活性氣體不易滲透到深層的微孔中，限制了介孔的形成和擴(kuò)寬，使得電極整體的平均孔徑相對(duì)較小。CW-紅花梨的微孔孔容占比更是高達(dá)71.4%。CW-紅花梨和CW-白蠟?zāi)镜谋缺砻娣e相對(duì)較低，可能是因?yàn)榉忾]和彎曲的管道結(jié)構(gòu)限制了活性氣體進(jìn)入管道進(jìn)行刻蝕。除CW-紅花梨和CW-白蠟?zāi)就?，其他CW電極的比表面積均高于700.0 m2/g，微孔孔容占比低于65%，具有優(yōu)良的孔隙結(jié)構(gòu)。這種高比表面積和多級(jí)的孔隙結(jié)構(gòu)有利于離子的存儲(chǔ)和擴(kuò)散[36, 39]。

表2 不同CW電極的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Pore structure parameters of different CW electrodes

a、b為掃描速率=10 mV/s的CV曲線；c、d為電流密度=5 mA/cm2的GCD曲線；e、f為EIS。電壓的測(cè)試通過(guò)參比電極Hg/HgO獲得。圖5 不同CW電極的電化學(xué)性能Fig. 5 Electrochemical performance of different CW electrodes

2.3 CW電極電化學(xué)性能分析

在掃描速率為10 mV/s下，CW-紅花梨和CW-白蠟?zāi)镜腃V曲線呈現(xiàn)出三角形形狀，如圖5a、b所示。這是因?yàn)閮烧咦枞墓艿澜Y(jié)構(gòu)和高的微孔含量使得在反向掃描時(shí)離子在孔隙中的脫附受阻，導(dǎo)致電流響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，CV曲線變形；同時(shí)，CV曲線的面積也相對(duì)較小，質(zhì)量比電容較低。除上述2種電極，其他CW電極的CV曲線接近于理想的矩形，表明CW電極界面附近的離子擴(kuò)散和界面上的電荷轉(zhuǎn)移快速而高效[8]。CW-桐木的CV曲線形狀十分接近矩形，這得益于在CW-桐木超薄管壁的孔隙中離子轉(zhuǎn)移擴(kuò)散十分便捷，電流響應(yīng)迅速。圖5c、d顯示在電流密度為5 mA/cm2下，CW-紅花梨和CW-白蠟?zāi)驹诜烹娺^(guò)程中出現(xiàn)了明顯的IR壓降，同時(shí)充放電時(shí)間較短，這與兩者具有較低的比表面積和較高的離子擴(kuò)散電阻(圖5e)相符。其他CW電極的GCD曲線都呈現(xiàn)出等腰三角形形狀，表明CW電極具有良好的雙電層電容行為和優(yōu)異的庫(kù)侖效率[8]。在5 mA/cm2的電流密度下，根據(jù)式(1)和(2)分別計(jì)算出CW電極的面積比電容和質(zhì)量比電容，如表3所示。其中，CW-櫸木具有最高的面積比電容和質(zhì)量比電容，分別高達(dá)5.12 F/cm2和121.8 F/g。這得益于櫸木具有較高的密度，使得單片CW-櫸木電極的活性炭負(fù)載量高達(dá)42 mg；同時(shí)極高的碳水化合物含量有利于活性氣體的產(chǎn)生，而通暢的管道結(jié)構(gòu)有利于活性氣體對(duì)管壁的活化，使得CW-櫸木具有超高比表面積和較低微孔孔容占比。因此，管道通暢、密度較高、木素含量低的木材有利于提高CW電極的面積比電容和質(zhì)量比電容。

電化學(xué)阻抗圖譜(EIS)由一個(gè)半圓區(qū)域、一個(gè)45°的Warburg區(qū)域和離子擴(kuò)散區(qū)域組成[40]。在高頻區(qū)，EIS曲線在Z′軸上的截距為等效串聯(lián)電阻(Rs)，包括電解液的歐姆電阻和活性材料與集流體的接觸電阻。由于CW電極并未使用集流體，因此該接觸電阻為CW電極與電極夾的接觸電阻。圖5e、f顯示不同CW電極的Rs都小于1.3 Ω，表明CW電極的等效串聯(lián)電阻非常小。半圓的直徑是電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)，反映的是電荷通過(guò)電極轉(zhuǎn)移到電極界面的電阻，與材料的本征電阻有關(guān)。因此，電導(dǎo)率更高的CW具有更小的Rct。不同種類木材CW電極的Rct都小于1.0 Ω，表明CW電極具有良好的導(dǎo)電性和優(yōu)異的倍率性能[9]。其中，CW-櫸木的Rs和Rct僅為0.92和0.17 Ω，具有極低的電化學(xué)阻抗。此外，在低頻區(qū)域，多數(shù)CW電極的阻抗曲線基本垂直于Z′軸，表明CW電極界面附近離子轉(zhuǎn)移擴(kuò)散迅速，離子擴(kuò)散電阻極小。在Z″方向極小的虛部值，表明離子在CW電極中具有極短的擴(kuò)散路徑[7]。這些優(yōu)異的電化學(xué)性能均來(lái)源于CW電極的高比表面積和優(yōu)良的多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)。

表3 不同CW電極的面積比電容和質(zhì)量比電容Table 3 Area specific capacitance and mass specific capacitance of different CW electrodes

3 結(jié) 論

1)在低惰性氣體流量的條件下，利用木材熱解產(chǎn)生的活性氣體實(shí)現(xiàn)了CW的自活化碳化，制得具有高比表面積和多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)的CW，并研究了不同種類木材對(duì)于CW電極性能的影響。

2)木材的密度、化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)是CW電極性能的主要影響因素。CW電極密度與木材密度呈正相關(guān)。CW得率反映木材的自活化強(qiáng)度，得率越低自活化強(qiáng)度越高。CW電極的電導(dǎo)率隨著密度的增加而增加，但是自活化強(qiáng)度高的電極由于豐富的孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電導(dǎo)率相對(duì)較低。更厚的管壁和細(xì)長(zhǎng)管道的CW電極表現(xiàn)出更高的抗壓強(qiáng)度，但是大量的中孔結(jié)構(gòu)會(huì)降低CW抗壓強(qiáng)度。

3)通暢的管道結(jié)構(gòu)和較低的木素含量有利于木材的自活化，產(chǎn)生更多孔隙，使CW電極表現(xiàn)出更低的電化學(xué)阻抗和良好的雙電層電容特性。CW-櫸木單片電極活性炭負(fù)載量高達(dá)42 mg，比表面積高達(dá)1 018.0 m2/g，電導(dǎo)率高達(dá)17.6 S/cm。在5 mA/cm2電流密度下，CW-櫸木電極的面積比電容和質(zhì)量比電容分別高達(dá)5.12 F/cm2和121.8 F/g。