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  • ISSN 1006-3080
  • CN 31-1691/TQ
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活性炭纤维在热处理过程中的结构变化及电化学性能

    作者简介: 李晓辉(1993-),男,硕士生,研究方向为炭材料。E-mail:lixhecust2011@163.com;
    通讯作者: 乔文明, qiaowm@ecust.edu.cn
  • 中图分类号: TQ536.2

Structure Changes and Electrochemical Performance of Activated Carbon Fibers during Heat-Treatment

    Corresponding author: Wenming QIAO, qiaowm@ecust.edu.cn ;
  • CLC number: TQ536.2

  • 摘要: 对黏胶基、沥青基和聚丙烯腈基活性炭纤维这3种典型的活性炭纤维进行不同温度的热处理,热处理温度范围700~2 800 ℃,通过氮气吸附法、X射线衍射、元素分析和电阻率测试等分析方法详细考察了温度对活性炭纤维的孔隙结构、微晶结构、元素组成和电导率的影响,并研究其在无机体系和有机体系下作为超级电容器电极材料时电化学性能的变化。研究结果表明:活性炭纤维在经过热处理后,比表面积随着热处理温度的升高先增大后减小,当温度高于1 200 ℃时,炭纤维层间距不断减小,微晶尺寸逐渐增大,石墨化度有所提高,电导率逐渐增大,电容性能在一定温度热处理后得到较大提升。
  • 图 1  不同温度热处理后活性炭纤维的吸附等温线(a,c,e)和孔径分布图(b,d,f)

    Figure 1.  Nitrogen adsorption isotherm (a, c, e) and pore size distribution (b, d, f) of activated carbon fibers after different heat-treatments

    图 2  不同温度热处理后活性炭纤维的比表面积

    Figure 2.  Specific surface area of activated carbon fibers after different heat-treatments

    图 3  不同温度热处理后活性炭纤维的XRD图

    Figure 3.  XRD pattern of activated carbon fibers after different heat-treatments

    图 4  不同温度热处理后活性炭纤维的微晶尺寸和层间距

    Figure 4.  Crystal size and interlayer spacing of activated carbon fibers after different heat-treatments

    图 5  不同温度热处理后活性炭纤维的电导率

    Figure 5.  Conductivity of activated carbon fibers after different heat-treatments

    图 6  活性炭纤维在KOH体系下的电容性能

    Figure 6.  Capacitance performance of activated carbon fibers in KOH system

    图 7  活性炭纤维在有机体系下的电容性能

    Figure 7.  Capacitance performance of activated carbrn fibers in organic system

    表 1  不同活性炭纤维的孔结构参数

    Table 1.  Pore structure parameters of different activated carbon fibers

    Samples SBET1)/(m2·g−1 Smic2)/(m2·g−1 Smeso3)/(m2·g−1 Vtotal4)/(cm3·g−1 Vmicro5)/(cm3·g−1
    ST1300 1 334 1 259 75 0.58 0.51
    OG15A 1 517 1 461 56 0.71 0.61
    FE400 899 607 291 0.56 0.39
    1) BET specific surface area; 2) Micropore specific surface area; 3) Mesopore specific surface area; 4) Pore specific volume (p/p0=0.99); 5) Micropore specific volume
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    表 2  活性炭纤维的元素分析

    Table 2.  Element analysis of activated carbon fibers

    Samples w/%
    C H N O
    ST-Raw 88.2 0.8 1.9 9.1
    ST-700 91.0 0.8 1.8 6.4
    ST-900 92.1 0.4 1.8 5.7
    ST-1100 95.6 0.1 1.0 3.3
    ST-1200 96.7 0.4 0.7 2.2
    ST-1500 97.5 0.4 0.3 1.8
    ST-2200 98.1 0.3 1.1
    ST-2800 98.4 0.2 0.9
    OG15A-Raw 89.7 1.1 1.6 7.6
    OG15A-700 93.2 0.8 0.9 5.1
    OG15A-900 95.6 0.3 0.8 3.3
    OG15A-1100 96.0 0.3 0.8 2.9
    OG15A-1200 98.0 0.5 1.4
    OG15A-1500 98.7 0.3 0.8
    OG15A-2200 99.3 0.5
    OG15A-2800 99.5
    FE-Raw 78.2 1.6 3.9 16.3
    FE-700 81.8 2.1 3.4 12.7
    FE-900 85.6 1.5 2.6 10.3
    FE-1100 86.9 1.1 2.5 9.5
    FE-1200 88.9 1.1 1.8 8.2
    FE-1500 92.3 0.3 0.7 6.7
    FE-2200 97.9 0.3 1.5
    FE-2800 99.2
    Oxygen content is calculated by difference
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-15
  • 网络出版日期:  2019-03-18
  • 刊出日期:  2019-04-01

活性炭纤维在热处理过程中的结构变化及电化学性能

    作者简介:李晓辉(1993-),男,硕士生,研究方向为炭材料。E-mail:lixhecust2011@163.com
    通讯作者: 乔文明, qiaowm@ecust.edu.cn
  • 华东理工大学1. 化学工程联合国家重点实验室
  • 2. 特种功能高分子材料及相关技术教育部重点实验室,上海 200237

摘要: 对黏胶基、沥青基和聚丙烯腈基活性炭纤维这3种典型的活性炭纤维进行不同温度的热处理,热处理温度范围700~2 800 ℃,通过氮气吸附法、X射线衍射、元素分析和电阻率测试等分析方法详细考察了温度对活性炭纤维的孔隙结构、微晶结构、元素组成和电导率的影响,并研究其在无机体系和有机体系下作为超级电容器电极材料时电化学性能的变化。研究结果表明:活性炭纤维在经过热处理后,比表面积随着热处理温度的升高先增大后减小,当温度高于1 200 ℃时,炭纤维层间距不断减小,微晶尺寸逐渐增大,石墨化度有所提高,电导率逐渐增大,电容性能在一定温度热处理后得到较大提升。

English Abstract

  • 超级电容器因其功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、环境友好等优点,引起了广泛的关注[1-2]。炭材料由于具有电导率高、化学性质稳定、价格低廉等优点,已经成为超级电容器电极材料领域的研究热点[3]。其中,活性炭纤维作为一种微孔炭,具有比表面积大、吸附速率快、孔径分布集中[4]等优点,主要以黏胶、沥青、聚丙烯腈等为前驱体,经过一定程序的炭化和活化工艺制备得到,其纤维直径为5~20 μm,大量微孔直接从纤维表面开口,是较为理想的超级电容器电极材料。微观上,大量的类石墨微晶通过sp3杂化的碳原子连接[5],其层间距(d002)明显高于理想石墨的层间距0.335 4 nm,微晶尺寸(Lc)远低于理想石墨尺寸,意味着微观结构的无序化,属于典型的具有乱层石墨堆积结构的炭材料。

    活性炭纤维与大多数炭材料一样,对其进行热处理会导致表面孔结构和微晶结构发生显著变化,进而对超级电容器的电容性能产生较大影响[6]。Ruiz等[7]对中间相沥青基活性炭进行600 ℃和1 000 ℃热处理,研究了该温度下热处理导致氧含量变化对电容性能的影响。Tian等[8]分别对微孔炭、中孔炭和活性炭纤维进行了1 200 ℃高温热处理,研究该温度下热处理对炭纤维表面结构和电化学性能的影响,结果表明1 200 ℃热处理使微晶结构重排和生长,提高了材料的电导率,进而改善了其电化学性能。上述文献均没有研究活性炭纤维的表面结构和性能随热处理温度升高的变化规律,以及热处理温度对电化学性能的影响。

    本文针对黏胶基、沥青基和聚丙烯腈基活性炭纤维这3种典型的活性炭纤维,在惰性气体保护下进行了热处理(温度范围700~2 800 ℃),研究活性炭纤维的孔隙结构、微晶结构尺寸、元素组成和电导率的变化规律,同时研究其作为超级电容器电极材料时在KOH体系和有机体系下电容性能的变化。

    • 采用黏胶基活性炭纤维(ST1300)、沥青基活性炭纤维(OG15A)和聚丙烯腈基活性炭纤维(FE400)为研究对象,其相关孔结构参数如表1所示。在氩气保护下,对活性炭纤维在700、900、1 100、1 200、1 500、2 200 ℃和2 800 ℃下进行热处理。以ST1300为例,未经热处理的材料记为ST-Raw,经过700 ℃热处理的样品记为ST-700,以此类推。

      Samples SBET1)/(m2·g−1 Smic2)/(m2·g−1 Smeso3)/(m2·g−1 Vtotal4)/(cm3·g−1 Vmicro5)/(cm3·g−1
      ST1300 1 334 1 259 75 0.58 0.51
      OG15A 1 517 1 461 56 0.71 0.61
      FE400 899 607 291 0.56 0.39
      1) BET specific surface area; 2) Micropore specific surface area; 3) Mesopore specific surface area; 4) Pore specific volume (p/p0=0.99); 5) Micropore specific volume

      表 1  不同活性炭纤维的孔结构参数

      Table 1.  Pore structure parameters of different activated carbon fibers

    • 材料的孔结构和比表面积由美国康塔仪器公司的Quadrasorb SI型分析仪表征,利用低温(77 K)氮气吸附等温线,用Brunauer-Emmett-Teller(BET)法计算样品的比表面积,骤冷固体密度函数理论(QSDFT)模型计算孔径分布[9]。微晶结构通过Rigaku D/max 2550 X型射线衍射(XRD)仪进行分析,采用CuKα辐射(λ=0.154 1 nm),管压40 kV,管电流40 mA,扫描速率0.010 s−1。元素组成由Elementar Vario EL Ⅲ型元素分析仪进行测试。材料导电性使用RTS-8型四探针电阻率测试仪进行测试。

    • 将充分干燥的活性炭纤维、导电炭黑和聚四氟乙烯(PTFE)以85∶10∶5的质量比均匀混合,加入乙醇,研磨至橡皮泥状,使用小型锟压机将其制成厚度为90 μm,直径为8 mm的电极片。取质量相近的电极片分别作为正、负极,以日本高度纸工业株式会社(NKK)的TF40纤维素纸为隔膜,集流体采用纯度为99.99%的钛片,电解液为6 mol/L的氢氧化钾溶液。

    • 将充分干燥的活性炭纤维、导电炭黑和聚偏氟乙烯(PVDF)以8∶1∶1的质量比混合,分散于N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中,充分搅拌均匀,采用自动涂膜机将浆料涂覆于负载炭的铝箔上,涂覆厚度为90 μm,接着在80 ℃烘箱中干燥8 h,然后使用冲片机制得直径为12 mm的电极片,最后用台式电动压片机压实,置于110 ℃烘箱中真空干燥12 h。组装扣式超级电容器时,以聚丙烯(PP)为隔膜,电解液选用1 mol/L的四氟硼酸四乙基铵(Et4NBF4@PC)。

    •   (1) 恒流充放电测试:使用Arbin SCTS多通道充放电测试仪进行,充放电电流密度为0.1、0.5、1、2、5、10 A/g和20 A/g。KOH体系下超级电容器的电压范围为0.05~0.9 V,有机体系下超级电容器的电压范围为0.05~2.5 V。

      (2) 循环伏安测试:使用PCI4/300型Gamry电化学工作站进行,扫描速率为5、10、20、50 mV/s和100 mV/s。KOH体系和有机体系下的电压扫描区间分别为0~0.9 V和0~2.5 V。

      (3) 循环寿命测试:使用Arbin SCTS多通道充放电测试仪进行,电流密度为1 A/g,对超级电容器进行5 000次循环充放电。

    • 图1示出了3种活性炭纤维经过不同温度热处理后的N2吸附等温线。ST型活性炭纤维和OG型活性炭纤维的N2吸附等温线均为典型的第Ⅰ型等温线[10],说明两种纤维以微孔为主,孔径在2.5 nm以内,从图1(a)1(c)可知两者分别在900 ℃和1 100 ℃热处理后对N2的吸附量最大,说明其比表面积达到最大。FE型活性炭纤维吸附等温线为第Ⅳ型等温线,随着压力的升高,在高压区(p/p0>0.4)出现较为明显的滞后环[11-12],表明材料中存在一定含量的中孔,从N2吸附量可以看出FE型活性炭纤维在1 100 ℃热处理后的比表面积最大,从图1孔径分布图可以看出,FE型活性炭纤维的中孔集中分布于3.0~4.0 nm。由此可知,活性炭纤维经过不同温度热处理后(>700 ℃),其比表面积均有所升高,在某一温度下达到最大值后,比表面积开始逐渐减小,在2 200 ℃时,其孔结构基本消失,比表面积接近零。

      图  1  不同温度热处理后活性炭纤维的吸附等温线(a,c,e)和孔径分布图(b,d,f)

      Figure 1.  Nitrogen adsorption isotherm (a, c, e) and pore size distribution (b, d, f) of activated carbon fibers after different heat-treatments

      以ST型活性炭纤维为例,比表面积的变化可以大致分为两个过程:随着热处理温度的升高,由于含氧官能团分解形成新的缺陷位,生成新的孔道,使比表面积和孔容不断增加,在900 ℃得到最大比表面积;随着热处理温度的继续升高,碳原子在高温作用下键合导致孔收缩甚至闭合,比表面积开始下降。通过BET法和t-plot法可以计算得到3种活性炭纤维的比表面积、微孔比表面积和中孔比表面积[13],结果如图2所示。

      图  2  不同温度热处理后活性炭纤维的比表面积

      Figure 2.  Specific surface area of activated carbon fibers after different heat-treatments

      图2可知,活性炭纤维的比表面积(SBET)随着热处理温度的升高均呈现先上升后下降的趋势,其中ST型在900 ℃时比表面积达到最大值(1 802 m2/g),OG和FE型最大比表面积在1 100 ℃时达到,分别为1 629 m2/g和1 473 m2/g;ST、OG、PE型活性炭纤维的微孔比表面积(Smic)分别在900、900、1 100 ℃时最大,分别为1 674、1 520、866 m2/g;中孔比表面积(Smeso)在热处理温度为1 100、1 100、1 200 ℃时达到最大。

      表2所示为3种类型活性炭纤维的元素分析结果,其中氧元素含量通过差减法计算得到[14],从表中看出随着热处理温度的升高,活性炭纤维的碳含量不断增加,氧含量不断下降,表明纤维表面含氧官能团逐渐被分解,杂原子逐渐被排出。经过2 800 ℃热处理后,活性炭纤维含碳量可高达98%以上。为考察热处理过程中活性炭纤维微晶结构的变化,对其进行XRD分析,结果如图3所示。

      图  3  不同温度热处理后活性炭纤维的XRD图

      Figure 3.  XRD pattern of activated carbon fibers after different heat-treatments

      Samples w/%
      C H N O
      ST-Raw 88.2 0.8 1.9 9.1
      ST-700 91.0 0.8 1.8 6.4
      ST-900 92.1 0.4 1.8 5.7
      ST-1100 95.6 0.1 1.0 3.3
      ST-1200 96.7 0.4 0.7 2.2
      ST-1500 97.5 0.4 0.3 1.8
      ST-2200 98.1 0.3 1.1
      ST-2800 98.4 0.2 0.9
      OG15A-Raw 89.7 1.1 1.6 7.6
      OG15A-700 93.2 0.8 0.9 5.1
      OG15A-900 95.6 0.3 0.8 3.3
      OG15A-1100 96.0 0.3 0.8 2.9
      OG15A-1200 98.0 0.5 1.4
      OG15A-1500 98.7 0.3 0.8
      OG15A-2200 99.3 0.5
      OG15A-2800 99.5
      FE-Raw 78.2 1.6 3.9 16.3
      FE-700 81.8 2.1 3.4 12.7
      FE-900 85.6 1.5 2.6 10.3
      FE-1100 86.9 1.1 2.5 9.5
      FE-1200 88.9 1.1 1.8 8.2
      FE-1500 92.3 0.3 0.7 6.7
      FE-2200 97.9 0.3 1.5
      FE-2800 99.2
      Oxygen content is calculated by difference

      表 2  活性炭纤维的元素分析

      Table 2.  Element analysis of activated carbon fibers

      从XRD结果可以看出,每个衍射图谱均可以观察到两个峰,25°左右出现一个很宽的衍射峰,在44°左右则有一个较弱的衍射峰,这两个峰分别对应碳微晶的(002)面和(100)面[15],可以说明活性炭纤维是一种无定形的炭材料,微观上呈现乱层石墨堆积的结构。经过热处理后,峰的位置略微有所偏移,说明石墨微晶碳层的层间距有所改变,随着热处理温度的升高,(002)面的衍射峰逐渐变得尖锐,说明活性炭纤维的结晶度不断提高,结构更加规整化[16],在热处理温度为2 800 ℃时,FE400型活性炭纤维(002)面的衍射峰窄而尖锐,说明此时纤维的石墨化程度较高。利用Bragg方程和Scherrer公式可以计算得到不同温度热处理后活性炭纤维的类石墨微晶的层间距(d002)和微晶尺寸(Lc)[17],其结果如图4所示。

      图  4  不同温度热处理后活性炭纤维的微晶尺寸和层间距

      Figure 4.  Crystal size and interlayer spacing of activated carbon fibers after different heat-treatments

      图4可以看出,当热处理温度高于1 200 ℃时,活性炭纤维的类石墨层层间距d002不断减小,同时其微晶尺寸Lc不断增大,说明活性炭纤维在高温热处理过程中,类石墨微晶结构不断进行重排[18],碳原子键合,使规整度和有序度不断提高。当热处理温度为2 800 ℃时,ST、OG和FE型活性炭纤维的石墨微晶层间距d002由开始时的0.376 5、0.351 4、0.352 8 nm减小至0.340 1、0.342 7、0.336 4 nm,已经基本接近于理想石墨层间距(0.335 4 nm),同时,微晶尺寸LC也由开始时的1.16、1.17、2.12 nm增大至4.37、2.42、22.52 nm,其中FE型活性炭纤维具有较高的石墨化度[19],可达88%,说明聚丙烯腈基活性炭纤维与黏胶基和沥青基活性炭纤维相比,更容易石墨化。

      为了考察热处理过程中活性炭纤维导电性的变化,对其进行了电阻率测试,进一步得到活性炭纤维在不同温度下的电导率,其结果如图5所示。从图中可以得知,活性炭纤维的电导率随着热处理温度的升高而不断提高,这是因为类石墨微晶结构逐渐生长,形成更加容易导电的共轭网络结构[20]。与黏胶基和沥青基活性炭纤维相比,聚丙烯腈基活性炭纤维更容易石墨化,微观上更容易形成规则的石墨片层,因而经过热处理后具有更高的导电性。

      图  5  不同温度热处理后活性炭纤维的电导率

      Figure 5.  Conductivity of activated carbon fibers after different heat-treatments

    • ST、OG和FE型活性炭纤维在KOH体系下的电容性能具有一定的相似性,以ST型活性炭纤维为例,其电容性能如图6所示。图6(a)示出了ST型活性炭纤维在不同热处理温度下的循环伏安曲线,由图可知,未经热处理的纤维具有最大的积分面积,但其矩形度相对较差;随着热处理温度的升高,循环伏安曲线矩形度逐渐被改善,在1 100 ℃时矩形度最好,说明纤维的双电层特征最好。在1 100 ℃下,对电容器进行倍率测试,在不同扫描速率下的循环伏安曲线结果如图6(b)所示,扫描速率从5 mV/s增大到100 mV/s时,循环伏安曲线仍然保持较好的矩形度,这是因为在1 100 ℃时中孔面积最大(图2(c)可以看出)。在较高扫描速率下,中孔提供了更加快速有效的离子传输通道,提高了电容保持率,表现出更好的倍率性能。

      图  6  活性炭纤维在KOH体系下的电容性能

      Figure 6.  Capacitance performance of activated carbon fibers in KOH system

      图6(c)示出了ST型活性炭纤维经过不同温度热处理后,在电流密度为0.1 A/g时的恒流充放电曲线。从图中可以看出,经过热处理后,其充放电时间变短意味着比电容下降,对称性变好说明其电容性能有所改善,在1 100 ℃热处理时,曲线的对称性最好。

      根据恒流充放电曲线可以计算得到超级电容器的比电容,结果如图6(d)所示,ST、OG和FE型活性炭纤维在KOH体系下的单电极初始比电容分别为153、107、131 F/g,随着热处理温度的升高其比电容逐渐降低,当热处理温度为1 500 ℃时,其比电容分别下降为20、47、17 F/g。因此可以得出,在KOH体系中,热处理温度越高,比电容越低。一方面,随着热处理温度升高,含氧官能团逐渐被分解,电解液对电极材料表面的浸润性下降,不利于KOH体系中电解质离子的吸附,使比电容下降;另一方面,在高温区域(>1200 ℃)内,类石墨微晶结构的重排和生长、孔结构受热收缩等过程,使电解质离子的有效吸附孔[21]减少,进一步导致比电容下降。

      ST、OG和FE型活性炭纤维分别在1 100、1 100、1 200 ℃热处理后中孔比表面积达到最大(图2(c)),而此时其倍率性能也最好。如图6(e)所示,三者在20 A/g电流密度下的电容保持率分别为61%、76%和67%,对其进一步进行循环寿命测试,结果如图6(f)所示,经过5 000次循环后,其电容保持率分别为90.4%、91.3%和89.5%。

    • 以ST型活性炭纤维为例,在有机体系下的电容性能如图7所示。图7(a)示出了纤维经过不同温度热处理后在扫描速率为5 mV/s下的循环伏安曲线,在900 ℃时ST型活性炭纤维的循环伏安曲线具有最好的矩形度和最大的积分面积,说明其比电容最高,且最容易吸附电解质离子而形成双电层。随着热处理温度继续升高,循环伏安曲线形变加剧,电容性能变差[22]。ST-900在不同扫描速率下的循环伏安曲线如图7(b)所示,扫描速率为100 mV/s时循环伏安曲线仍然保持较好的矩形度,说明其具有较好的倍率性能。图7(c)示出了ST型活性炭纤维经不同温度热处理后在电流密度为0.1 A/g下的恒流充放电曲线,可以看出未经处理的纤维充放电曲线出现明显的电压降,随着热处理温度的升高,恒流充放电曲线对称性逐渐变好,在900 ℃时为均匀对称的等腰三角形,电压降很小,说明其表现出很好的双电层电容行为。

      图  7  活性炭纤维在有机体系下的电容性能

      Figure 7.  Capacitance performance of activated carbrn fibers in organic system

      ST、OG和FE型活性炭纤维在不同热处理温度后的比电容的变化如图7(d)所示,其单电极初始容量分别为76、74、61 F/g,经过热处理后,ST和OG型活性炭纤维在900 ℃时达到最大比电容96 F/g和81 F/g,FE型活性炭纤维在1 100 ℃时达到最大比电容74 F/g。对比图2可知,比电容与微孔比表面积呈现相同的变化趋势。因此在有机体系下,对活性炭纤维而言,微孔贡献了更多的比电容。随着热处理温度继续升高,含氧官能团的去除使有机电解液的浸润性得到提高,进一步改善了电容性能。当温度大于1 200 ℃时,含氧官能团基本被去除,孔结构开始受热收缩,类石墨微晶碳原子开始重排[23-24]。这些过程使质量比电容逐渐下降,到1 500 ℃时,3种型号活性炭纤维的比电容已经低于20 F/g。

      图7(e)示出了3种活性炭纤维具有最大比电容时的倍率性能,ST、OG和FE型活性炭纤维在20 A/g下的电容保持率分别为76%、75%和88%,循环寿命测试结果如图7(f)所示,经过5 000次循环后,其容量保持率分别为93.6%、95.5%和96%,具有较好的循环稳定性。

      对比活性炭纤维在KOH和有机体系下的电容性能,可以发现经过高温处理后,FE型活性炭纤维在有机体系下的比电容低于OG型活性炭纤维,但其在KOH体系下的比电容高于OG型活性炭纤维。Chimola等[25]研究表明,当孔径低于电解液溶剂化离子直径时,由于去溶剂化效应的存在,随着孔径的降低,比电容会显著增加。从图1可知,当孔径小于有机电解液溶剂化离子直径(1.35 nm)时,OG型活性炭纤维的孔含量明显高于FE型活性炭纤维,因此OG型活性炭纤维比电容较高。从表2可知,FE型活性炭纤维的含氧官能团数量高于OG型活性炭纤维,导致FE型活性炭纤维对KOH电解液的浸润性更好,提高了孔对电解质离子的吸附效率,因此FE型活性炭纤维具有更好的比电容性能。

    • (1) 随着热处理温度的升高,活性炭纤维的比表面积呈现先增大后减小的趋势,含氧量不断下降。当热处理温度高于1 200 ℃时,活性炭纤维导电性能逐渐变好,层间距不断下降,微晶尺寸不断增大,结构趋向于石墨,更加规整化。FE型活性炭纤维在经过2 800 ℃热处理后,石墨化度较高,可达88%。

      (2) 在KOH体系下,随着热处理温度的升高,含氧官能团逐渐分解使电解质离子浸润性变差。另外,在高温下类石墨微晶结构的重排和孔结构受热收缩均使炭纤维有效吸附孔减小,比电容逐渐降低。在有机体系下,表面官能团对炭纤维电化学性能的影响较小,其比电容的变化规律与微孔比表面积的变化规律一致。在大电流密度下,FE型活性炭纤维中孔含量较高,中孔提供了更加快速有效的离子传输通道,因此其倍率性能较好。另外,活性炭纤维经过一定温度的热处理,可以大幅提高其作为超级电容器电极材料时的循环性能。

      致谢:感谢NSFC-山西煤基低碳联合基金项目(U1710252)、国家自然科学基金(21506061)、中国科协青年人才托举工程和上海市青年科技启明星计划(17QB1401700)的支持。

(7)  表(2) 参考文献 (25) 相关文章 (16)

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