煤基富氧多孔炭納米片的制備及其超級電容器性能

車曉剛，靳 皎，張藝瀟，劉思宇，王 滿，楊 卷,*

（1.西安交通大學 化工學院，陜西 西安 710049；2.陜西延長石油（集團）有限責任公司 碳氫高效利用技術研究中心，陜西 西安 710075）

1 前言

化石能源消耗帶來的環境問題日益嚴重，因此，尋找清潔可再生能源作為替代能源迫在眉睫，合適的儲能裝置是新能源開發和可再生能源清潔高效利用的重要基礎。超級電容器作為一種新型綠色儲能裝置，由于其高的功率密度、長循環使用壽命、快速的充放電時間和優異的低溫性能在航空航天、新能源汽車和便攜式電子設備等方面都有著廣泛的應用[1–3]。根據其儲能機制可分為電化學雙層電容器（EDLCs）、贗電容器和混合超級電容器。其中，EDLCs 通常提供更高的功率密度、更長的循環穩定性和出眾的倍率性能，是當前學術界和產業界的重點研究方向。同時，多孔炭材料（PC）特別是煤基多孔炭材料，具有原料來源廣泛、結構穩定性良好、導電性優越和成本低廉等特點，已被廣泛應用于EDLCs的電極材料，但是PC 通常表現出相對較低的比電容（在水溶液電解質中，通常低于300 F g-1）[4–6]。近年來，水系儲能器件憑借其超快的充放電速率、高安全性、價格低廉和環境友好等優點，被認為是一類具有重要應用潛力的新型儲能裝置，但其仍受限于相對較低的能量密度。除了對電解質的優化改性以擴展電壓窗口外，對多孔炭電極進行微納結構設計和表面改性從而進一步提升其電容性能，也是構建高性能電化學儲能器件的關鍵[7–8]。為解決這個問題，很多研究致力于調控多孔炭材料的微觀結構（形貌、缺陷結構、孔結構、孔徑分布和導電性等）來實現高的電荷儲存[9–12]。例如Jiang 等通過在自合成的堿式碳酸鋅上涂覆煤焦油瀝青并結合KOH 活化方法制備了具有分級多孔結構的三維多孔炭片微球（PCSMs），其在6 mol L-1KOH 中表現出313 F g-1的比電容[13]。此外，炭電極材料的表面化學性質對EDLCs 的電化學行為也有著顯著的影響，相關研究表明，通過B、N、O、S 和P 等雜原子摻雜在炭材料表面可以產生特定的作用來改善其表面化學活性，如改善潤濕性、增強結構穩定性和提供贗電容等[14–17]。Zhang 等通過共熱溶解煤和小麥秸稈得到前驅體，后經ZnO 輔助KOH 分段熱解活化工藝制備了N、O 共摻雜三維分級多孔炭（HPCx），結果表明，雜原子摻雜改善了電極的表面極性和電導率，展現出384 F g-1的高比電容，但其倍率性能和循環穩定性不理想[9]。

上述方法在一定程度上解決了PC 比電容相對較低的問題，但仍然存在著綜合電化學性能差和制備工藝復雜等問題。因此，急需探索一種簡易環保且經濟有效的制備方法，進一步實現炭材料微觀結構和表面化學性質的調控以提高PC 綜合電化學性能。層狀雙氫氧化物（LDHs）已被證明在制備功能炭材料方面有著獨特的作用[18–21]。本課題組前期的研究表明，FeMgAl-LDH 可以在二維炭材料的合成過程中催化碳源前驅體石墨化過程，實現了富石墨化結構煤基PC 的制備，有效提升炭電極的導電性和比電容[22]。此外，雜原子（N、O 等）摻雜炭材料因其表面獨特的物理化學性質，作為電極材料、非金屬催化劑或催化劑載體，在電化學儲能、小分子催化轉化、環境處理等方面，具有廣闊的應用前景[23–24]?？紤]到LDHs 的二維空間限域作用可以抑制合成過程中碳或雜原子的逃逸，有利于雜原子嵌入到碳基質中，這為進一步探索制備性能優良的雜原子摻雜多孔炭材料提供了可能，亟需進一步研究探索。

綜上所述，以煤化學工業固體殘渣副產物為碳源，因其來源廣泛、價格低廉、具有較高的芳香度，易于炭化成型，是制備功能性炭材料的優質前驅體[25–28]，利用MgAl-LDH 的二維空間的剛性約束作用協同KOH 活化過程，可控制備了富氧多孔炭納米片材料。進一步探索了炭化溫度和MgAl-LDH 的加入對多孔炭材料的形貌、微觀結構和表面化學性質的影響。結果表明，利用MgAl-LDH 二維空間的結構調控作用能夠有效促進炭材料多層納米片結構的形成，同時賦予炭材料豐富的氧質量分數和良好的潤濕性。此外，KOH 化學活化過程賦予了炭材料豐富的微孔通道，在用于超級電容器的電極材料時，展現出優異的電化學性能，為構建高性能水系儲能器件提供了良好的材料平臺。

2 實驗

2.1 材料

選擇來自石化企業的煤基固體殘渣（簡稱煤渣）為前驅體,按照 GB/T 212-2008 和 GB/T 476-2008，煤渣元素組成和工業分析結果見附表S1；氫氧化鉀（KOH），分析純，國藥集團化學試劑廠；炭黑、聚四氟乙烯（PTFE），深圳科晶。

2.2 煤基富氧多孔炭納米片的制備

首先將一定量的MgAl-LDH 超聲分散在乙醇中，并按照質量比為1∶1 的比例加入煤渣，超聲分散得到混合液，在80 °C 下烘干得到前驅體。將得到的前驅體與KOH 按照一定的比例混合均勻，隨后將其置于N2氣氛的管式爐中，以3 °C min-1的升溫速率加熱至設定溫度（600、700、800、900 °C），恒溫保持2 h，后經稀鹽酸和去離子水洗滌后在80 °C 下干燥10 h，得到富氧多孔炭納米片OPCN-x，x代表炭化溫度，分別記作OPCN-600，OPCN-700，OPCN-800 和OPCN-900。

作為對比，直接將煤渣與KOH 混合均勻并在700 °C 下進行炭化活化，其它操作保持一致，得到多孔炭材料PC-700。

2.3 材料的表征

采用美國的MAIA3 LMH 型場發射掃描電子顯微鏡（SEM）和日本的場發射透射電子顯微鏡（FE-TEM）對材料的表面形貌及微觀結構進行觀察。使用日本島津公司的Shimadzu 6100 型X 射線衍射儀（XRD）和Renishaw 型激光拉曼光譜儀（RAMAN）對樣品的晶體結構進行表征。通過元素分析儀對材料的O 進行測定，同時采用X 射線光電子能譜（XPS,美國ThermoFisher ESCALAB 250Xi）測定樣品的表面元素組成及鍵合狀態。通過美國的Micrometrics ASAP 2460 型物理吸附儀進行N2吸附-脫吸測試，對材料的比表面積和孔結構特征進行分析。

2.4 工作電極的制備及電化學性能測試

將活性材料、導電炭黑和黏合劑按照8∶1∶1 的質量比取樣并分散在少量乙醇中獲得漿料，用于制備工作電極，其活性物質負載量為3～4 mg cm-2。以Pt 片為對電極，Hg/HgO 為參比電極，6 mol L-1KOH 為電解液，在Bio-logic VMP3 電化學工作站上對OPCN-x和 PC-700 電極進行循環伏安（CV），恒電流充放電（GCD）和電化學交流阻抗（EIS）測試。在Land 2001A 電池測試系統上測試了其循環穩定性。根據以下公式，通過GCD 曲線計算電極的比電容：

式中，Cg是電極的質量比電容（F g-1）；I是放電電流（A）；?t是放電時間（s）；m是活性材料的質量（g）；?U是電壓范圍（V）。

3 結果與討論

3.1 微觀形貌與結構分析

圖1 為MgAl-LDH 和所制炭材料樣品的SEM 照片。從圖1a 可以看到MgAl-LDH 呈現出典型的二維片狀結構，橫向尺寸約為2 μm，其緊密堆積在一起形成了豐富的多層結構。圖1b 為直接活化得到的多孔炭材料PC-700，和其它文獻報道的結果類似，具有大的尺寸和無規則的塊狀結構[11]。圖1c-d 和圖S2 展現了富氧多孔炭納米片OPCN-700 的表面形貌，不同于PC-700，其主要由二維炭納米片堆積而成，這種結構不僅可以提供更大的比表面積用于電解質離子的吸附儲存，而且二維多孔片狀結構有利于離子的快速傳輸[29]。OPCN-700 獨特的形態源于MgAl-LDH 二維結構的剛性約束作用，在合成過程中，溶解于乙醇的碳氫組分在溶劑蒸發過程能夠進入MgAl-LDH 的二維層間，利用其層間有限空間的限域作用在熱解過程中限制和誘導前驅體分子向二維炭納米片的定向轉化，這也通過XRD 譜圖得到證實（圖S1）；同時MgAl-LDH 大的橫向尺寸也利于前驅體的鋪展及強化炭材料與KOH 的化學反應，從而在炭納米片表面形成豐富的多孔結構。此外，本文探索了炭化溫度對二維多孔炭材料微觀結構的影響，由圖S2 可以看出，它們均表現出相互堆疊的二維片狀結構，彰顯出MgAl-LDH 二維結構在調控炭材料形態方面的關鍵作用。TEM 表征進一步驗證了二維多孔炭納米片的結構特征。如圖1e 所示，多層炭納米片隨機分布，褶皺的邊緣能夠有效避免二維炭納米片的堆積，片厚度約為20 nm（圖S3）。圖1f 的高分辨率TEM 照片進一步表明OPCN-700 樣品表面具有豐富的微孔通道，這有利于離子的快速儲存和傳輸[30]。

圖1 (a) MgAl-LDH,(b) PC-700 和(c-d) OPCN-700 的SEM 照片;(e-f) OPCN-700 的TEM 照片Fig.1 SEM images of (a) MgAl-LDH,(b) PC-700 and (c,d) OPCN-700 and TEM images of (e,f) OPCN-700

圖2a 為不同炭材料樣品的XRD 譜圖?；钚远嗫滋縋C-700 和OPCN-x在25°和44°展現出2 個弱而寬的峰，分別對應于非晶炭的（002）和（100）晶面，此外，OPCN-700/800/900 在26.5°出現的增強峰可能是由于炭樣品中存在石墨微晶所致，但所有樣品均屬于典型的無定形炭特征[17]。PC-700 和OPCN-x的Raman 譜圖如圖2b 所示，可以清楚地觀察到位于1 348 和1 590 cm-1的2 個特征峰，其分別對應于表示缺陷結構的D峰和sp2雜化碳的G峰。對所制樣品的拉曼光譜圖進行分峰擬合（圖S4），通過D峰和G峰的面積積分得到的PC-700 和OPCN-600/700/800/900 的AD/AG值分別為2.568、1.489、2.008、2.204 和1.748，可以發現，引入MgAl-LDH 后所獲得的OPCN-x樣品其AD/AG值均低于PC-700，表明煤渣在MgAl-LD 層間或表面更有利于交聯或重排，有效抑制缺陷結構的形成。此外，進一步分析發現，隨著溫度的升高，OPCN-x樣品的AD/AG值呈現先增大后減小的趨勢，這可能是因為隨著溫度的升高，炭材料活化的程度逐漸增強，導致缺陷增多，同時高溫有利于石墨化，最終表現為兩者的疊加[16]。圖2c 為炭材料樣品的N2吸脫附等溫線，PC-700 及OPCN-600/700 為典型的Ⅰ型曲線，其在p/p0<0.01 時氮氣吸附量呈現快速的增長趨勢，表明所制備的炭材料具有豐富的微孔結構；而OPCN-800/900 為Ⅰ型和Ⅳ型的結合，在0.4

圖2 (a) XRD 譜圖;(b) Raman 光譜圖;(c)氮氣吸附/脫附曲線;(d)孔徑分布圖;(e) PC-700 和OPCN-700 的全譜圖;(f) OPCN-700 的C1s 和O1s 譜圖Fig.2 (a) XRD patterns;(b) Raman spectra;(c) N2 adsorption/ desorption curves;(d) pore size distributions;(e) XPS spectra of PC-700 and OPCN-700;and (f) C1s and O1s high-resolution spectra of OPCN-700

對于PC-700 和OPCN-600/700/800/900 樣品，通過BET 方法計算的比表面積分別為1 978、2 106、2 388、2 236 和2 930 m2g-1，此外，通過密度泛函理論模型（DFT）計算的孔結構參數匯總于表1?？梢园l現，OPCN-x的比表面積、總孔體積及微孔體積隨著溫度的升高呈現遞增趨勢，其中OPCN-800 樣品比表面積和孔體積的輕微減小可能歸因于介孔比例的增加和在特定溫度下形成的獨特結構。重要的是，OPCN-700 的各項孔結構參數都優于PC-700，具有更高的微孔比表面積和微孔體積，有利于水系電解質離子的儲存[29,31]。這些結果進一步證明，在體系中引入MgAl-LDH，利用其納米空間限域作用賦予了炭材料二維多孔片層結構。為了研究炭材料樣品的表面元素組成和對應的化學鍵合狀態，本文進一步對OPCN-700 和PC-700 樣品進行了XPS 分析（圖S5）。圖2e 的全譜圖表明OPCN-700 和PC-700 樣品主要由C 和O 兩種元素組成，不含其它無機雜質。由OPCN-700 的C1s 的高分辨率光譜可以進一步擬合為3 個特征峰，如圖2f 所示，分別位于284.6、286.0 和288.6 eV，對應于C＝C、C―O 和C＝O。此外，對OPCN-700 的O 1s 譜圖進行擬合分峰處理得到C ＝O（5 3 1.7 e V）、C―O（532.9 eV）和O―H（535 eV）[32]。相關研究證實這些含氧物種存在于炭材料表面可以通過氧化還原反應進一步提升炭電極的比電容。

表1 富氧多孔炭納米片OPCN-x 及多孔炭PC-700 的孔隙結構參數Table 1 Pore structure parameters of OPCN-x and PC-700

通過以上分析可知，MgAl-LDH 在調控炭材料的形貌和孔結構方面起著重要的作用。為了證實MgAl-LDH 在炭材料合成過程中對元素組成的影響，通過元素分析測定了炭材料樣品的氧（O）的質量百分含量（%）。如圖3a 所示，PC-700 和OPCN-600/700/800/900 樣品的O 質量分數分別為20.51%、33.24%、24.4%、20.09% 和7.65%。由此可知：（1）在OPCN-x樣品中，溫度對炭材料的O 含量具有重要的影響，所制備炭材料的含氧官能團隨著溫度的升高逐漸分解，從而O 質量分數下降；（2）OPCN-700 的O 質量分數為24.4%，明顯高于PC-700 的20.51%，這表明MgAl-LDH 的存在可以有效抑制炭材料合成過程中氧原子的逃逸，從而將其固定在碳基質中。通常情況下，這些含氧官能團的存在，在一定程度上會降低炭材料的導電性，但這些含氧物種可以有效改善電極材料的親水性，進一步提供贗電容，從而顯著提升水系超級電容器的電化學性能。圖3b-f 的接觸角測試證明了炭材料O 質量分數的變化對其潤濕性的影響?？梢钥吹?，PC-700 和OPCN-600/700/800/900 電極的接觸角分別為127.8°、112.2°、120.3°、130.2°和136.7°，其大小及變化趨勢與炭材料的O 質量分數相吻合[31]。

圖3 (a)炭材料樣品的O 質量分數;(b) PC-700;(c) OPCN-600;(d) OPCN-700;(e) OPCN-800;(f) OPCN-900 的接觸角測試Fig.3 (a) The O content of as-prepared carbon samples and contact angle test of (b) PC-700;(c)OPCN-600;(d) OPCN-700;(e) OPCN-800;(f) OPCN-900

3.2 電化學性能分析

圖4a 為不同電極材料在10 mV s-1掃描速率下的循環伏安曲線?？梢钥吹?，在堿性電解液中OPCN-600 包圍的面積最大且有明顯的駝峰，OPCN-800 和OPCN-900 具有良好的矩形狀，而PC-700 和OPCN-700 介于兩者之間，CV 曲線表現出的駝峰特征，主要與炭材料表面含氧官能團貢獻的贗電容有關，這與上述元素分析的結果一致。需要指出的是，所有炭電極均表現出典型的電化學雙電層行為和良好的可逆性[3]，說明所制炭材料的儲能機制主要以電解液離子的表面吸脫附過程和表面贗電容貢獻為主。圖4b 展示了OPCN-700 電極在2～100 mV s-1范圍內的CV 曲線圖，隨著掃描速率的增加，曲線仍保持較好的矩形狀，表明其優異的倍率性能和電化學可逆性。OPCN-700 電極的GCD 曲線如圖4c 所示，在不同的電流密度下，GCD 曲線均呈現出線性對稱，說明樣品具有理想的電容特性[16]。根據GCD 曲線計算的比電容如圖4d 所示，PC-700 以及OPCN-600/700/800/900 電極在0.5 A g-1的電流密度下的比電容分別為352、437、382、315 和276 F g-1；在20 A g-1的比電容分別為266、298、296、258 和217 F g-1，相對應的倍率為75.6%、68.2%、77.5%、81.9% 和78.6%，并且OPCN-700 在50、80 和100 A g-1的大電流密度下仍表現出246、220 和203 F g-1的高的比容量（圖S6）?？梢园l現：（1）OPCN-x電極的比電容隨著溫度的升高逐漸下降，這是由于較低的炭化溫度制備的炭材料具有較多的含氧官能團，可以貢獻更多的贗電容，這與圖4a 的結果一致。因此，在0.5 A g-1的小電流密度下，OPCN-600 電極具有最高的比電容。然而，在大電流密度下，炭材料表面含氧官能團的可逆氧化還原反應受到一定程度的限制，導致其倍率性能不佳。（2）OPCN-900 電極的倍率略低于OPCN-800，這是由于劇烈的活化過程導致OPCN-900 導電網絡的破壞，這也可通過圖4e 的EIS 得到證實。（3）OPCN-700 的比電容和倍率性能都優于PC-700，其差異性主要歸因于OPCN-700 樣品獨特的微觀結構和組成。具體而言，MgAl-LDH 的結構導向及空間限域作用賦予了OPCN-700 樣品豐富的離子儲存界面、快速的離子傳輸通道和較高的氧質量分數。圖4e 的交流阻抗圖反映了炭材料的離子傳輸動力學過程?？梢钥吹?，所有的Nyquist 曲線由高頻區的半圓和低頻區的直線組成，屬于典型的電容行為。其中，半圓與X軸的截距表示電極的等效串聯電阻（Rs），而半圓的直徑代表其電荷轉移電阻（Rct）。由圖可知，OPCN-700 表現出最小的Rs（0.027 Ω）和Rct（0.041 Ω），說明其良好的導電性和快速的離子傳輸過程；而OPCN-900 呈現出較大的Rs（0.174 Ω）和Rct（0.226 Ω）也和前面的分析結果一致[32]。對于OPCN-700 和OPCN-900 電極在Rs和Rct方面差異，可以歸因于OPCN-700 樣品具有較高的氧質量分數，其導電性相較于OPCN-900 可能有所降低，但其表面的含氧官能團能有效改善電極/電解液界面處的潤濕性，有利于電解質離子的快速傳輸。其次，OPCN-700 和OPCN-900 在微孔范圍內具有相近的微孔比表面積和微孔體積（見表1），OPCN-700 具有更優的孔徑分布（0.5～3 nm）與K+/OH–水合離子相匹配。在10 A g-1的電流密度下，對OPCN-700 電極的循環穩定性進行了測試，如圖4f 所示，經10 000 次循環后其電容保持率為81.3%。OPCN-700 電極容量的降低主要由于電極表面的活性物種在循環過程中發生了不可逆的電化學反應導致。需要指出的是，通過對OPCN-700 電極進行更長時間的電化學測試，在后續的20 000 次循環其容量僅下降了2.8%，并且庫倫效率始終保持在100%，表明其優異的耐用性。為了評估OPCN-700 電極在實際應用中的電荷儲存性能，進一步組裝了對稱超級電容器，電化學測試結果如圖S7 所示。在不同的掃描速率和電流密度下，超級電容器的CV 和GCD 曲線均保持良好的形狀，表明OPCN-700 電極優異的電容特性和快速的電荷儲存能力。同時，組裝的超級電容器可提供9.2 Wh kg-1的能量密度和4.7 kW kg-1的功率密度，并在10 A g-1的電流密度下經30 000 次循環后仍有98.8%的電容保持率，展現出了良好的應用前景。

圖4 (a)炭材料樣品在10 mV s-1 掃速下的CV 曲線;(b) OPCN-700 的CV 曲線;(c) OPCN-700 的GCD 曲線;(d)不同電流密度下的比電容;(e)電化學阻抗圖譜;(f) OPCN-700 的循環性能Fig.4 (a) CV curves of carbon samples at scanning rate of 10 mV s-1;(b) CV curves of OPCN-700;(c) GCD curves of OPCN-700;(d) the specific capacitances of carbon samples at different current density;(e) nyquist plots of carbon samples;and (f) cyclic performance of OPCN-700

4 結論

綜上所述，以MgAl-LDH 為結構導向劑，利用其二維空間限域作用協同KOH 活化過程，成功制備了煤基富氧多孔炭納米片，通過調控炭化溫度進一步優化炭材料的孔隙結構/組成和表面性質。在700 °C 炭化得到的OPCN-700 樣品具有較高的O 質量分數（24.4%）、大的比表面積（2 388 m2g-1）、發達的孔結構（1.198 cm3g-1）以及二維片層結構。作為超級電容器的電極材料，表現出優異的電化學性能，在0.5 A g-1的電流密度下，其比電容高達382 F g-1。此外，得益于良好的表面潤濕性和導電性，OPCN-700 電極展現出較好的倍率性能和循環穩定性。該研究工作證明煤基富氧多孔炭納米片是一類具有廣闊應用前景的電極材料，同時利用無機材料的剛性約束作用亦為其他新型電極材料的制備提供了新思路。

致謝

感謝國家自然科學基金 (22278328)和陜西省重點研發計劃項目 (2023-YBGY-292)。