湘潭大学：山茶籽壳为原料制备多孔碳材料，用于高性能超级电容器

成果简介

在当前倡导全球绿色、环保、节能的大背景下，如何将低成本的农业废弃生物质可持续地转化为高附加值产品已成为一个热门话题。本文，湘潭大学王先友课题组在《ACS Appl. Energy Mater》期刊发表名为“Activated Carbon Derived from the Agricultural Waste Camellia Seed Shell for High-Performance Supercapacitors”的论文，研究利用榨油后得到的农业废弃物山茶籽壳制备具有高比表面积（SSA）和优异电化学性能的多孔碳材料，并将其应用于超级电容器。

研究了不同化学活化剂和质量比对农业废弃物山茶籽壳衍生活性炭（CSSC）孔隙结构和电化学性能的影响。研究发现，用 KOH 活化的 CSSC 具有优异的物理和电化学性能，所有制备的活性炭的孔隙结构主要是中孔和微孔的组合。特别是，由于 CSSC-KOH-1:3 材料具有高 SSA（1219 m2 g-1）和多孔结构，该电极在 0.5 A g-1 的电流密度下具有 305 F g-1 的出色比电容。此外，用 CSSC-KOH-1:3 电极组装的对称超级电容器可提供较高的能量密度（15.37 W h kg-1）和功率密度（12.9 kW kg-1），即使经过 10,000 次充放电过程，仍能保持较高的循环稳定性。因此，这项工作为农业废弃物山茶籽壳的高值化应用和低成本制备多孔碳应用于高性能超级电容器提供了重要探索。

图文导读

图1.农业废弃物山茶籽壳衍生AC的制备示意图。

图2.（a） CSSC、CSSC-KOH-1：1、CSSC-KOH-1：3和CSSC-KOH-1：5样品的XRD图谱。（b） CSSC-KOH-1：3样品的HR-TEM图像（插图：相应的FFT模式）。（c） CSSC、CSSC-KOH-1：1、CSSC-KOH-1：3和CSSC-KOH-1：5样品的拉曼光谱。

图3 ：（a,c）不同活化剂和 C/KOH 比率下活化样品的 N2 吸附-解吸等温线和（b,d）孔径分布。

图4：（a）CSSC-KOH-1:3、CSSC-K2CO3-1:3和CSSC-CuCl2-1:3电极的CV和（b）GCD曲线；（c）扫描速率为5-200mV s-1 时 CSSC-KOH-1:3 电极的 CV 曲线和（d）电流密度为0.5-20Ag-1时CSSC-KOH-1:3电极的GCD曲线。

图5：CSSC-KOH-n系列交流电极的电化学性能CSSC-KOH-n系列交流电极的电化学性能：（a）5mVs-1时的CV曲线；（b）0.5Ag-1 时的GCD曲线；（c）0.5-20Ag-1 电流密度下的比电容；以及（d）奈奎斯特图。

图6. 使用 3 M KOH 电解液的 CSSC-KOH-1:3 SSC 的电化学性能

小结

系统研究了不同化学活化剂和 C/KOH 比对由山茶籽壳制备的 AC 的孔隙结构和电化学性能的影响。KOH活化剂明显有利于废茶籽壳衍生AC 多孔结构的形成。在 C/KOH 比=1:3条件下制备的 CSSC-KOH-1:3具有1219m2 g-1 的较大SSA 和丰富的多孔结构，可为碳材料提供更多的接触面积和有效活性位点。同时，它还能提高电解质对活性物质的润湿性，从而改善材料的电化学性能。

在电流密度为0.5Ag-1时，CSSC-KOH-1:3电极显示出 305 F g-1 的高比电容和优异的速率特性。用 CSSC-KOH-1:3 电极和 KOH 电解液组装的对称 SC 在 0-1.3 V 电压下具有出色的电容性能，最大能量密度为 15.37 W h kg-1，最大功率密度为 12.9 kW kg-1，10000 次循环后的初始电容保持率为 96%。此外，由 CSSC-KOH-1:3 电极和 EMIMTFSI 离子液体电解质组装的 SSC 在 450 W kg-1 的条件下可达到 33 W h kg-1 的高能量密度。因此，农业废弃物山茶籽壳是一种非常有前景的 SCs 应用原料，它能以较低的生产成本生产出具有高 SSA 和优异电化学性能的 ACs。因此，这项工作为利用农业废弃物设计和合成具有高电容特性的交流电极材料提供了重要探索。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsaem.3c02391