碳纳米构筑：工业银桦木炭转化为高性能超级电容器电极用活性炭

《Biomass and Bioenergy》：Carbon nanoarchitectonics: Valorization of industrial silver birch charcoal into high-performance activated carbon for supercapacitor electrodes

　　

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  将工业白桦木炭升级为活性炭。
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  活化条件影响孔隙结构和电化学行为。
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  最佳样品的比表面积达到756 m² g^?1。
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  对称电池在1 M KNO₃电解液中提供了190 F g^?1的比电容。
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  最佳样品在1 A g^?1下经过5000次循环后仍保持99%的电容。

引言

生物质基碳材料作为传统碳前驱体的可再生替代品，受到了越来越多的关注，特别是在循环经济经济和可持续材料开发背景下[1,2]。由于木质纤维素生物质资源丰富、可再生且结构多样，可通过热化学处理转化为多孔碳材料，具有广泛的潜在应用，包括吸附、土壤修复、催化、气体分离和电化学储能等[[3], [4], [5]]。在此背景下，将低价值生物质资源转化为功能性碳材料可以提高资源利用效率，减少对原生及化石基原料的依赖。

与此同时，对清洁能源日益增长的需求加速了对太阳能、风能和水能等可再生能源的需求[6,7]。然而，这些能源的间歇性特点创造了对高效储能的需求。在电化学储能装置中，超级电容器（EDLCs）因其长循环稳定性、高功率密度和快速充放电能力而被广泛认为是很有前景的电化学储能系统[[8], [9], [10]]。活性炭仍然是超级电容器最常用的电极材料，因为其孔隙结构和元素组成可以调节，同时保持相对较低的生产成本。然而，其电化学性能强烈依赖于前驱体、活化方法、孔隙结构和表面化学。因此，寻找廉价原料和有效活化条件对于开发高性能碳电极仍然很重要[4,11,12]。

活性炭可以通过物理活化或化学活化来制备，每种方法都会产生不同的纹理和理化性质。物理活化包括碳化后在高温下用蒸汽或CO₂进行气化[13,14]，而化学活化则是在碳化之前用活化剂浸渍前驱体。化学活化已被证明可以产生比表面积和孔隙体积更大的活性炭。此外，化学活化的产率通常远高于物理活化[[15], [16], [17]]。在本工作中，选择H₃PO₄作为化学活化剂，因为它能在相对较低的温度下促进孔隙发育，同时保持较好的碳产率，促进结构重排，并引入含磷的表面物种。与物理活化相比，它还能在较温和的处理条件下实现更高效的孔隙形成[[18], [19], [20]]。

已有多种生物质前驱体被研究用于H₃PO₄活化制备活性炭。例如，Ozp?nar等人使用H₃PO₄活化榛壳废料制备了活性炭，获得了一种比表面积约为1363 m² g^?1的多孔材料，在0.75 A g^?1下的比电容约为248 F g^?1[20]。最近，Chitpreecha等人使用H₃PO₄活化榴莲皮制备了活性炭。该样品在三电极体系下，在1 A g^?1下的比电容约为120.41 F g^?1[21]。更广泛地说，许多农业残留物和木材衍生的生物质已成功转化为用于电化学储能应用的多孔碳[[22], [23], [24]]。这些研究共同证实了H₃PO₄活化的有效性，同时也表明前驱体本身仍然是控制碳产品最终结构和电化学行为的关键因素。

与原始生物质相比，商业工业炭是一个有吸引力的替代前驱体，因为它已经历了热转化。这减少了处理复杂度，同时保留了稳定的富碳骨架以供进一步活化。白桦（Betula pendula）广泛分布于欧洲和亚洲部分地区[25]，已被用于建筑木材、医药、染色和装饰。在俄罗斯，白桦木炭在当地大量生产且成本相对较低，已用于冶金、烧烤燃料和过滤[26]。这些特点使工业白桦木炭成为制备高附加值活性炭的一个有前景的前驱体。

在本工作中，使用工业白桦木炭作为前驱体材料，通过H₃PO₄化学活化制备活性炭（AC）。此外，系统地研究了活化条件对碳产率、纹理性质、形貌和电化学性能的影响。从碳纳米构筑的角度来看，控制活化条件提供了一种理性的方法来调节碳材料的孔隙结构和表面特性，以实现增强的电化学性能。因此，该研究并非仅将酸活化视为提高比表面积的手段，而是系统地考察了酸浓度和活化温度如何相互作用以控制孔隙发育、与表面相关的含氧和含磷物种、润湿性及电化学性能。研究结果证明了一条简单且可扩展的途径，将廉价的工业产品转化为用于可持续电化学储能的高价值活性炭。

章节摘要

材料

原材料白桦木炭购自ALKOVAR（俄罗斯莫斯科）。磷酸（H₃PO₄，85 wt%，GOST 6552-80，俄罗斯）用作储备液，根据需要用去离子水稀释制备50 wt%的溶液。炭黑（CABOT? Vulcan XC72，美国）和60 wt%聚四氟乙烯水分散液（ALDRICH，美国）分别用作导电添加剂和粘结剂。硝酸钾KNO₃（GOST 4217-77，俄罗斯）用于制备1 M水溶液作为

产率与工业分析

活化产率使用式（1）计算：$$\text{产率}=\frac{{\mathrm{w}}_{\text{AC}}}{{\mathrm{w}}_{\text{CW}}}*100\%$$其中${\mathrm{w}}_{\text{AC}}$为洗涤后干燥AC的重量，${\mathrm{w}}_{\text{CW}}$为原始白桦木炭的重量。

水分含量、挥发分和灰分含量按照ASTM标准程序测定。水分通过在105 ± 2 °C烘箱中干燥至恒重来测定[29]。挥发分通过在惰性气氛中以950 °C加热2 g样品，按照标准规定的

产率与工业分析

为研究磷酸浓度和活化温度对碳化行为及材料质量的综合影响，评估了所制备AC样品的产率和工业组成，并展示在表2中。

活化产率范围为27.5%（AC-85-900）至51.5%（AC-50-600）。这些数值清楚地反映了酸浓度和热处理的耦合作用。提高H₃PO₄浓度和/或活化温度会增强

结论

研究结果证实，商业生产的白桦木炭可作为有效的中间碳源用于制备多孔电极，而无需直接生物质碳化。AC样品的结构和电化学性质表明，碳纳米构筑方法受到磷酸浓度和活化温度的强烈影响。更高的酸负载和温度会强化活化过程并改变孔隙

CRediT作者贡献声明

Reem Shahin：撰写——初稿，可视化，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Alexey Rodin：撰写——审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理。

资金

本研究未获得公共、商业或非营利部门任何基金机构的专项资助。

利益冲突声明

作者声明他们不存在任何可能影响本文报告工作的已知的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究在国家科学与技術大学物理化学系进行。研究人员对系和大学提供完成本工作所需的材料和设备表示衷心感谢。

Reem Shahin | Alexey Rodin