1.4性能表征

1）微观形貌。将5种碳材料制备成沿纵向切割的片状材料，然后用导电胶把样品粘结在样品台上，进行真空喷金处理，处理后的样品通过扫描电子显微镜（SEM）进行微观形貌观察，并在相同倍数下打出对应的EDS能谱。2）化学结构。利用X射线衍射仪获得5种材料的晶体结构，在范围0~90º内以4º/min的扫描速率进行扫描。3）比表面积及孔隙度。使用全自动比表面积及孔隙度分析仪（BET）对5种材料的样品进行脱气处理、吸脱附测试，得到碳材料的比表面积、氮气（N2）吸脱附状况和孔隙分布情况。

2结果与分析


2.1碳电极材料的孔隙结构及比表面积


碳电极材料的SEM图见图1。从图中可看出，5种碳材料均具有可供电解液通过的孔隙，包括大孔和小孔，形成多层级的孔隙结构。这种孔隙综合分布的结构可以为电解液的渗透和传输提供较短的路径，既有利于离子的快速传输从而减小材料的内阻，也有利于为样品提供一定的比表面积（KOH）。其中，图1d为竹炭不同倍数下的SEM图，可看出其孔隙结构层级显著，最为丰富。

注：a1-2木质炭；b1-2菊花炭；c1-2钢炭（碳化炉烧）；d1-2竹炭；e1-2钢炭（土窑烧）。图1不同碳材料电极在不同倍数下的SEM图


为了比较5种碳材料的比表面积和孔隙结构，采用BET测试进行进一步分析N2吸附曲线和孔径分布。N₂等温吸脱附曲线是通过测量在恒定温度下，物质表面在不同相对压力下的氮气吸附量所得出的曲线，对其进一步分析，可获得材料的比表面积、孔容、孔径分布等信息。


比表面积是指单位质量物料所具有的总面积（单位为m2/g），通常被用于描述固体材料的表面特性，这些固体材料包括粉末、纤维、颗粒、片状或块状等形态。将比表面积与物质的孔隙结构结合来看，一般比表面积大、活性大的多孔材料，吸附能力强。表2为5种碳材料的比表面积和孔隙分布情况。可以看出，钢炭（土窑烧）的比表面积为341.7242m2/g，竹炭的比表面积为277.8179m2/g，均远大于其余3种碳材料的比表面积，这种大的比表面积为离子通过提供了更多的附着位点，也为电容器的储能提供了更大的可能。同时，竹炭的灰分含量为1.58%（表1），在5种碳材料中灰分含量较少，灰分含量低可以有效降低离子扩散过快时双电层瓦解的程度，并且对双电层稳定性的提高有一定帮助。

表2不同碳材料电极的比表面积和孔隙分布注：表中SBET为材料的比表面积；VPore表示材料在测试过程中的氮气吸附量；Daver表示材料孔的直径。


5种碳材料的N2吸附曲线图和孔径分布图见图2。可以看出，在吸附时，随着相对压力（P/P0）的逐渐增大，吸附量呈上升趋势；而当脱附时，随着相对压力从1.0逐渐减小至0.0，微孔中吸附的气体开始逐渐释放，导致脱附曲线呈现下降趋势。并且竹炭、钢炭（土窑烧）的磁滞回线保持开放状态，这归因于微孔的存在，相应的孔径分布验证了这一点（图2b）。

注：a）5种碳材料的氮气吸附—脱附曲线；b）5种碳材料的孔径分布。图2不同碳材料电极的孔隙分布。

其中，竹炭在P/P0<0.1范围内N2吸附量更显著，说明竹炭具有更丰富的微孔含量。从图2b)可看出，5种碳材料中竹炭和钢炭（土窑烧）的孔隙直径接近于2 nm的孔隙体积远大于其余3种碳材料，且图中均未出现鼓峰，说明这2种材料中存在微孔，因为在Barrett-Joyner-Halenda法（BJH）测试下无法测出微孔的鼓峰，其中竹炭的孔隙直径小于钢炭（土窑烧）。结合图2和表3可看出，竹炭的孔隙直径大多为小于4 nm的微孔和介孔，而直径大于50 nm的大孔分布很少，这种结构有助于促进电解质离子在材料中的运输能力，从而提高材料的电化学性能。