2.2碳电极材料的晶相结构及化学成分


X射线衍射（XRD）通过其独特的衍射模式揭示材料的晶体结构信息，可以进一步理解材料的基本特性、优化性能并指导新材料的研发。图3为5种碳材料的XRD图，可以看出，5种材料在衍射角25?左右处均有明显的衍射峰，对应石墨结构的（002）晶面，除木质炭外，其余碳材料在衍射角43?左右的位置有特征峰，该峰为石墨结构的（100）晶面。5种材料的衍射峰强度普遍偏低，峰形较宽，说明它们的物相主要是生物质石墨化的无定形结构碳。

图3不同碳材料电极的XRD谱图

X射线能谱仪（EDS）对材料的某部分微观区域的元素分析。如表3为5种碳材料在能谱仪扫描下的元素质量分数，可看出每种碳材料中除含有碳（C）和JD足球反波胆APP下载（O）元素外，还含有微量的金（Au）元素，其中C、O元素为碳材料本身存在的，而Au元素是在样品制备过程中喷金处理遗留下的。在5种碳材料中，竹炭的C元素百分比最大，占总量的94.73%，这也是竹炭拥有较高面积比电容的原因之一。表3不同碳材料电极中元素的质量分数。


2.3碳电极材料的电化学性能


图4a）是对5种碳材料在10 mV/s的扫描速率下进行的循环伏安法测试，从中可以看出，除了木质炭为一条重合的直线外，其余4种碳材料的循环伏安曲线（CV曲线）均是较好的封闭图形，说明这4种材料均有较好的双电容特性。其中，竹炭的封闭图形面积明显比其他碳材料的面积大，表明竹炭的电化学储能效果最佳。图4b）为竹炭在不同扫描速率下的CV曲线，可看出随着扫描速率的增大，封闭面积也随之增大，并且CV曲线的梭状逐渐明显，这是因为扫速增加后限制了离子进入电极孔，使得离子的吸附和解吸不能在短时间内完成。注：a）5种木竹基碳电极在10 mV/s扫描速率下的CV曲线；b）竹基碳电极在不同扫描速率下的CV曲线。

图4不同碳材料电极的CV曲线

图5为5种碳材料的GCD曲线和EIS图谱。样品在电流密度为10 mA/cm2下的GCD曲线如图5a）、b）所示，可看出除木质炭外的其余4种碳材料的GCD曲线均呈三角形，且竹炭具有较长的充放电时间，表明竹炭具有较好的电荷转移能力，可观察计算得出竹炭的面积比电容为2432 mF/cm2。竹炭优异的电化学性能与其高比表面积和丰富的微孔、介孔的多层级孔隙结构密切相关。竹炭在5~20 mA/cm2电流密度下的GCD曲线见图5c），可看出竹炭电极具有较好的倍率性能。而木质炭在1 mA/cm2的电流密度下的充放电时间都很短，其面积比电容仅为0.4 mF/cm2。

注：a)和b)为5种碳电极的GCD曲线；c)为竹炭在不同电流密度下的GCD曲线；d)为5种碳电极的阻抗图。图5不同碳材料电极的电化学性能利用EIS图进一步探究碳材料的储能机理。


图5d）为5种碳材料的电化学阻抗谱，表现出了不同材料的电容特性。电极过程受电荷传递与扩散过程双重调控，因此尼奎斯特曲线呈现为高频区半圆弧段与低频区倾斜直线段。其中，高频区半圆弧段直径作为关键参数，直接反映了电极材料的内阻大小，圆弧开始时对应的x轴的值为离子进入电极材料时的阻值，而直线的斜率表示的是离子的扩散速率。可看出在低频区，竹炭的尼奎斯特曲线较其他样品在实轴上的垂直度表现更为显著，这一特性表明竹炭具有优异的离子扩散能力。能够使电解液中的离子可以更快地到达电极/电解液界面，增加单位时间内存储或释放电荷的数量，提高本身的功率密度。


3结论


1）扫描电镜、BET吸附测试和X-射线衍射的测试结果表明，在木质炭、菊花炭、钢炭（碳化炉烧）、竹炭和钢炭（土窑烧）5种材料中竹炭具有层次丰富的微孔、介孔结构和生物质石墨化的无定形结构，为离子的传输提供了条件。2）在电流密度为10mA/cm2下，木质炭、菊花炭、钢炭（碳化炉烧）、竹炭和钢炭（土窑烧）的面积比电容分别为0.4、1133、240、2435和373mF/cm2，表明竹炭具有以面积比电容为代表的最佳电化学性能，在5种材料中最具发展潜力。竹材作为一种即将到来的替代储能材料，其生物可降解、环保、具高电子转移能力的合理结构，使其有望成为木竹基碳电极商业化的功能和实用材料。