上海交通大学AFM|Fenton反应提高了高性能超级电容器的生物质炭活化效率

生物质多孔炭生产过程中碱的大量消耗导致了污染和高碳排放。本研究采用Fenton化学的概念，获得了比表面积高达3440 m²g⁻¹的分层多孔生物质碳材料，与传统活化工艺相比，其活化效率提高了一倍。在6 m KOH电解液中，优化后的碳电极在0.1A g⁻¹电流密度下的比电容为425.2 F g⁻¹，在100A g⁻¹电流密度下的倍率性能为286.1F g⁻¹。使能的超级电容器表现出显著的循环稳定性，在经历20,000次充放电循环后保持高达99.74%的初始电容。此外，利用分子动力学模拟了电解质离子在不同孔结构中的分布，证实了该结构有利于离子的快速扩散，从而匹配了优异的电化学性能。在TEABF₄/AN电解液中，组装的对称超级电容器的最大能量密度为42.1 Wh kg^-1(基于电池堆质量为12.1 Wh kg^-1)。这项工作提出了一种有效的技术，形成多孔结构的生物质前体。这种新颖的方法可以应用于许多其他类似的储能系统以及其他领域。

制备

六水氯化铁(FeCl3·6H2O)、氢氧化钾(KOH)、聚四氟乙烯(PTFE)、过氧化氢(H2O2)、盐酸(HCl)。

新鲜小麦秸秆用去离子水清洗，切成小块并晾干。将 4 克生物质分别浸泡在 0.2、0.3 和 0.4 mo/L FeCl3 水溶液中 24 小时，然后过滤小麦秸秆。冷冻干燥预处理过的小麦秸秆后，将前驱体分散到 H2O2 水溶液中 24 小时，过滤并再次冷冻干燥。然后，将制备好的样品（命名为 FHWS-X，X = 2、3、4，由 FeCl3 水溶液的浓度决定，此外，FWS 和 HWS 分别代表经 0.3 mol/L FeCl3 和 H2O2 预处理的制备好的样品)。然后，将预碳化前驱体与 2 克 KOH 混合，在同一设备中以 10 °C/min 的加热速率加热至 750 °C 2 小时。最后，将得到的多孔碳先后浸泡在水和盐酸水溶液中，以去除多余的杂质。得到的材料用去离子水中和，并在 80 °C 下干燥 24 小时后进行表征，标记为 FHWSAC-X（X = 2、3、4，由预处理过程中使用的 FeCl3 水溶液的浓度决定）。为便于比较，还在相同条件下制备了仅使用 FeCl3 和 H2O2 进行不同预处理的样品，分别称为 FWSAC 和 HWSAC，以及未经预处理的小麦秸秆样品，称为 WSAC。

图解

图1. 麦草Fe³⁺-H2O2联合预处理示意图

图2.(a) H2O, (b) Fe3+,(c) H2O2, (d) Fe3+-H2O2预处理后的原始麦秸外表面OM图像(e)氮气吸附-解吸等温线、孔径分布曲线，(f) Fe3+和H2O2预处理后原料和麦秸的FT-IR光谱，(g) C1s XPS光谱，(h) O1s XPS光谱

图3.(a) WSAC,(b) FWSAC, (c) HWSAC, (d) FHWSAC-3, (e) FHWSAC-3的元素映射图像，(f,g) FHWSAC-3, (h) WSAC的TEM图像

图4.(a)氮气吸附-解吸等温线，(b)比表面积和(c)麦秸衍生多孔碳的DFT孔径分布，(d) XRD谱图，(e)不同预处理方法麦秸衍生多孔碳的拉曼光谱，(f) FHWSAC-3的C1s XPS光谱

图5.麦秸衍生多孔碳在三电极体系中的电化学性能:(a) CV曲线(20 mV s−1)，(b)速率性能，(c) WSACs的Nyquist图。(d) GCD曲线，(e)循环性能，(f) FHWSAC-3性能比较, FHWSAC-3电极充放电动力学:(g) CV曲线logi - logv的线性图。(h) CV过程中不同扫描速率下表面控制和扩散控制的贡献率。(i)在20 mV s⁻¹的扫描速率下，分离FHWSAC-3电极的表面控制贡献和扩散控制贡献

图6.MD模拟了(a) WSAC模型、(b) FHWSAC-3模型和(c)不同模型中钾离子的扩散系数在5 ns时电解质的扩散分布

图7.FHWSAC-3//FHWSAC-3在(a-e) 6 m KOH电解质和(f-j) 1 m TEABF4/AN电解质中的双电极电池性能

结论

我们展示了一种简单有效的利用芬顿化学从麦秸中合成高性能多孔碳电极材料的技术。与传统方法相比，该方法能够形成理想的孔隙结构和高比表面积，具有双倍的活化效率。基于Fenton化学的Fe³⁺-H2O2预处理通过纤维素、半纤维素和木质素的显著氧化，在初始秸秆材料中诱导了额外的介孔。这些介孔在随后的炭化过程中促进了微孔和介孔的发育，更重要的是提高了活化剂的活化效率。最终形成了理想的分层多孔结构和3440 m²/g的高比表面积。

所得碳电极材料表现出优异的电化学性能。其电化学电容在0.1 A g⁻¹电流密度下达到425.2 F g⁻¹，在100 A g⁻¹高电流密度下保持286.1 F g⁻¹的惊人电容。这些值已经超过了edlc中使用的大多数生物质衍生碳电极。使用优化的电极。组装的对称超级电容器的最大能量密度达到42.1 Wh kg⁻¹(基于电池堆质量为12.1 Wh kg⁻¹)。在电极和器件水平上，经过2万次循环后，电极的循环稳定性超过98%。此外，通过MD表征了孔隙结构对电化学性能的影响，进一步证明了Fe³⁺-H2O2预处理的强效应。本研究提出了一种新的、直接的纳米多孔结构预处理技术，可广泛应用于利用木质纤维素前驱体合成分层多孔碳材料。

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