臭氧處理改性活性炭
臭氧處理改性活性炭儲能的應(yīng)用,目的是評估與臭氧處理相關(guān)的能量儲存過程中氧摻雜活性炭的物理化學(xué)變化與電化學(xué)性質(zhì)之間的相關(guān)性?；钚蕴康幕瘜W(xué)和電化學(xué)性能強(qiáng)烈依賴于表面上的微觀結(jié)構(gòu)以及官能團(tuán)的存在。有幾種方法，以便修改所述碳表面摻入其它雜原子(例如，氮，氧，碘)。改變碳結(jié)構(gòu)的一種方法是通過暴露于臭氧而進(jìn)行氧化。臭氧化的過程中導(dǎo)致增加在氧官能團(tuán)(羧基，羰基，羥基，內(nèi)酯，或醚)濃度。
活性炭的電化學(xué)測量
將改性和未改性的活性炭用作電化學(xué)電容器的電極材料。電化學(xué)測量使用循環(huán)伏安法和電化學(xué)阻抗譜(恒電位儀/恒電流儀VMP3，Bio-Logic)進(jìn)行。所有的電化學(xué)研究都是在1 MH與一個(gè)世偉系統(tǒng)組裝兩個(gè)和三個(gè)電極細(xì)胞中進(jìn)行2 SO 4，1M的Na 2 SO 4，和6M KOH。電極由85重量%的碳，10重量%的聚偏二氟乙烯(Kynar Flex 2801)和5重量%的乙炔黑組成。
為了確定臭氧處理后活性炭所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變化，采用拉曼光譜法對其進(jìn)行了改性前后的樣品進(jìn)行分析。通過變換紅外光譜測定了改性和原料的官能團(tuán)。通過掃描電子顯微鏡分析樣品的形態(tài)。樣品以5Kmin -1的速率加熱在氬氣氛下。通過分析77 K(容積吸附系統(tǒng))的氮吸附法得到表面積以及多孔結(jié)構(gòu)的變化。改性和未改性活性炭的拉曼光譜如圖1a所示?？梢钥吹絻蓚€(gè)主帶，稱為D波段和G波段。G和D帶對應(yīng)于sp 2位點(diǎn)。G帶是由于兩個(gè)環(huán)和鏈中所有對sp2原子的鍵伸展。因此，D波段歸因于環(huán)中sp 2原子的所謂呼吸模式。因此，D波段對應(yīng)于石墨烯片缺陷引起的無序碳。
在酸性，堿性和中性溶液中的兩電極電池中研究了改性活性炭的電化學(xué)性質(zhì)。圖2示出了在等于10mV s -1的掃描速率下測試材料的循環(huán)伏安圖(CV)。CV環(huán)的形狀幾乎是矩形，因此可以說被檢查材料具有良好的電容性能。所有計(jì)算的電容(單個(gè)電極的活性質(zhì)量表示)總結(jié)在表1中?；贑V測量，可以得出結(jié)論，臭氧化過程增加了電化學(xué)電容器的比電容。修改60分鐘的活性炭表現(xiàn)最好，因?yàn)樗碾娙莶粌H在酸性電解質(zhì)中增加，而且在堿性和中性電解質(zhì)中也增加。對于在6M KOH-中操作的電容器觀察到最高的電容：其電容達(dá)到123Fg -1。在所有研究的電解質(zhì)暴露于臭氧120分鐘后，比電容降低。盡管在臭氧化時(shí)間期間表面積減小，但是觀察到電容增加?？梢哉f，氧功能的存在增強(qiáng)了碳表面的潤濕性，并改變了電荷存儲性能，這與熱重分析和FTIR分析結(jié)果一致。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)臭氧化過程對活性炭的化學(xué)和物理性質(zhì)有很大的影響。改性后，碳材料具有更多的氧和氮功能，導(dǎo)致sp 3中含量更高站點(diǎn)。電化學(xué)測量表明，臭氧處理的碳可以被認(rèn)為是構(gòu)建電化學(xué)電容器的非常有吸引力的材料。活性炭交流和直流的方法顯示由于臭氧化過程引起的比電容的增加。基于碳的電容器臭氧化60分鐘，性能最好。此外，對于在6M KOH中操作的電容器觀察到最高的電容。我們假設(shè)醌類基團(tuán)的還原過程在動力學(xué)上快得多，并且在基本電解質(zhì)中的負(fù)電位發(fā)生。應(yīng)該注意，負(fù)極具有較高的電容值，這對于用不對稱電極構(gòu)建電化學(xué)電容器是非常重要的。
本文作者：董帝豪
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