豆壳基炭材料的响应面优化设计及电化学特性

摘要

为了满足人们对新型储能设备的需求,以生物质尤其是农林废弃物基炭材料作为电极材料的超级电容器备受关注.该研究以农业废弃物材料刀豆壳作为前驱体,采用KOH活化方法制备高比面积活性炭并作为超级电容器电极材料.以材料比电容为响应值,活化温度和活化比例为试验因素,采用中心复合设计方法(CCD,Central Composite Design)进行响应面优化研究,并探究在最佳工艺条件下制备的活性炭的电化学性能.研究结果表明:活化温度和活化比例对刀豆壳活性炭材料的比电容均具有显著影响.优化得到的最优工艺参数为活化温度694°C,活化比例4.17:1.验证试验得到刀豆壳活性炭材料的平均比电容为254 F/g,与预测值基本吻合.同时对活性炭进行了性能表征,采用扫描电镜(SEM,Scanning Electron Microscope)和透射电镜(TEM,Transmission Electron Microscope)观察活性炭的形貌特征,通过氮气吸-脱附测试研究了炭材料的孔隙结构,结果表明:刀豆壳活性炭材料表面分布大量纳米孔,最大比表面积可达3129 m2/g,总孔容达1.68 cm3/g,微孔孔容达0.96 cm3/g,有利于电解液流通和电解质离子吸附.