Geactiveerde koolstofvezels met hiërarchische nanostructuur afgeleid van afval katoenen handschoenen als hoogwaardige elektroden voor supercondensatoren

Resultaten en discussies

De XRD-patronen van de CGCF- en CGACF-monsters in Fig. 2a hebben beide twee relatief bredere pieken rond 23,5 ° en 44 ° (2θ ), die overeenkomen met respectievelijk de (002) en (100) diffractie van hexagonaal grafiet [31, 32]. De verminderde intensiteit van de diffractiepiek met KOH-activering wordt toegeschreven aan de turbostratische koolstofstructuur met willekeurig georiënteerde grafeenlagen in CGACF, wat een veel meer ontwikkelde porositeit van CGACF impliceert in vergelijking met die van CGCF [33]. Raman-spectra van de monsters worden weergegeven in Fig. 2b. De piek bevindt zich op ongeveer 1350 cm ⁻¹ wordt toegewezen aan de D-band, die gerelateerd moet zijn aan de sp ³ koolstofatomen van ongeordende of defecte koolstof. De piek op ongeveer 1590 cm ⁻¹ wordt verwezen naar de G-band, wat overeenkomt met de vingerafdruk van grafietkristallieten van koolstof [34]. De hogere relatieve intensiteitsverhouding (I _D /Ik _G ) van CGACF, in vergelijking met die van CGCF, bevestigt de veel meer ontwikkelde porositeit, d.w.z. structurele defecten.

XRD-patronen en Raman-spectra. een XRD-patronen en b Raman-spectra van CGCF (blauwe lijn ) en CGACF (rode lijn )

Figuur 3 toont de SEM- en TEM-afbeeldingen van de AC-, CGCF- en CGACF-monsters. In Fig. 3a vertoont onbewerkte CG een vezelachtige morfologie met ca. 3 m in diameter en een glad oppervlak van de vezelwand. Na carbonisatie zonder KOH krimpt de diameter van de vezel tot ongeveer 2 m door de emissie van veel niet-koolstofelementen en sommige koolstofhoudende verbindingen tijdens carbonisatie, terwijl het vezeloppervlak glad blijft (Fig. 3b). Het behouden van de goed gedefinieerde morfologie van de voorloper in de activeringsprocedure is van cruciaal belang voor de voorbereiding van een geavanceerde PCM met een groot oppervlak voor ladingsaccumulatie en effectieve elektrolyt/elektronendiffusie/overdrachtsroutes. Het is een geluk dat de vezelachtige structuur van CGACF goed behouden blijft na het activeringsproces, en een ruwe oppervlaktemorfologie geconstrueerd door 3D onderling verbonden raamwerken wordt verkregen die is afgeleid van het intensieve etseffect van KOH (Fig. 3c, d). Deze ontwikkelde oppervlaktestructuren, die in talrijke macroporiën worden gestapeld, en goed bewaarde vezelstructuur zijn erg belangrijk voor de toepassing van supercondensatoren, omdat ze respectievelijk zeer efficiënte elektrolytdiffusie/overdrachtsroutes en geleidend skelet kunnen bieden. Bovendien onthult het TEM-beeld van CGACF het bestaan ​​​​van overvloedige kleine nanoporiën op het oppervlak van de vezel (figuur 3e). In een scherp contrast worden grote koolstofbulten zonder enige regelmatige en/of hiërarchisch poreuze structuur waargenomen in commerciële AC (Fig. 3f).

SEM- en TEM-afbeeldingen. SEM-afbeeldingen van a onbewerkte CG, b CGCF, c , d CGACF en f commerciële AC. e TEM-afbeelding van CGACF

N₂ adsorptie-desorptie-isothermen werden gebruikt om de nanostructuur van de monsters kwantitatief te analyseren. Zoals getoond in Fig. 4a, vertoont het CGACF-monster een veel hogere adsorptie-opname bij lage relatieve druk (P /P ₀ ) vergeleken met CGCF, wat impliceert dat de microporositeit van de vezelstructuur aanzienlijk wordt verhoogd door de activeringsbehandeling. Bovendien is de voor de hand liggende hysteresislus op het medium P /P ₀ geeft de vorming van veel kleine mesoporiën in CGACF aan. Volgens de DFT PSD-curve van CGACF in figuur 4b, zijn talrijke microporiën en kleine mesoporiën geconcentreerd bij respectievelijk 1,3 en 2,7 nm, bestaande uit de TEM-waarneming. Er wordt aangenomen dat de KOH-activering niet alleen een aanzienlijk aantal microporiën creëert, maar ze ook blijft verwijden tot kleine mesoporiën [21, 35, 36]. Ter vergelijking:de commerciële AC vertoont alleen een opname bij lage P /P ₀ , wat wijst op een microporiënpiek bij 1,3 nm (Fig. 4b) en een microporiëndominant oppervlak van 1282 m ² g ⁻¹ (voornamelijk bijgedragen door S _microfoon , Tabel 1).

Stikstofadsorptie-desorptietests. een Stikstofadsorptie-desorptie-isothermen bij 77 K en b hun corresponderende PSD-curven van de CGACF (rode lijn en symbool ), CGCF (blauwe lijn en symbool ) en AC (zwarte lijn en symbool ) monsters

We verwachten dat deze integratie van het grote oppervlak dat wordt geboden door de hiërarchisch micro / mesoporeuze structuur, 3D onderling verbonden raamwerken op het vezeloppervlak en het goed behouden vezelskelet gunstig zal zijn voor het supercapacitieve gedrag. Zo werden verschillende elektrochemische metingen uitgevoerd met behulp van de geassembleerde testcellen van het sandwichtype met twee elektroden. CV-metingen en EIS-tests werden eerst uitgevoerd om het vermogen tot migratie van elektrolyten/elektronen te evalueren.

Gewoonlijk kromt de rechthoekige vorm van de CV met een relatief hoge scansnelheid (meestal 20-200 mV s ⁻¹ ) kan worden gebruikt om het vermogen van ionendiffusie/-overdracht binnen de nanokoolstofstructuur te schatten [37,38,39,40]. Blijkbaar is de CV-curve van CGACF bij 200 mV s ⁻¹ toont een bijna rechthoekige vorm, in vergelijking met die van AC met een vervormde vorm (figuur 5a), wat wijst op de effectieve toegankelijkheid van elektrolyten en snel ionentransport in de nanostructuur van CGACF. Nyquist-plots verkregen uit de EIS-tests bevestigen ook deze veronderstelling (figuur 5b). Zoals we weten, weerspiegelt het initiële snijpunt tussen de curve en de Z'-as de equivalente serieweerstand (ESR) van de elektrode, terwijl de diameter van de halve cirkel in het hoogfrequente gebied de polarisatieweerstand of ladingsoverdrachtsweerstand weerspiegelt ( R _p /R _ct ) [41]. CGACF presenteert veel lagere R _p /R _ct en ESR van 0,94 en 0,42 vergeleken met AC-YP (respectievelijk 2,90 en 1,03 ). Deze bovengenoemde resultaten onthullen het uitstekende elektrolyt/elektronen migrerend vermogen van CGACF, afgeleid van de hiërarchisch poreuze structuur en goede overerving van het vezelskelet.

CV metingen en EIS testen. een CV-curven met een scansnelheid van 200 mV s ⁻¹ en b Nyquist-plots van de CGACF (rode lijn en symbool) en AC-voorbeelden (zwarte lijn en symbool)

Op basis van deze unieke nanostructuurkenmerken vertoont CGACF de hoogste C _g in de GCD-tests en een uitstekend capaciteitsbehoud onder hoge laad-ontlaadsnelheden (Fig. 6a, b). Zoals berekend uit de ontlaadtijd, is de C _g van CGACF en commerciële AC is 218 en 175 F g ⁻¹ bij een stroomdichtheid van 0,1 A g ⁻¹ , respectievelijk. Ongelooflijk, aangezien de stroomdichtheid wordt verhoogd tot een extreem hoge waarde van 20 A g ⁻¹ , een hoge capaciteitsretentie van 88% (192 F g ⁻¹ ) wordt verkregen, terwijl die van AC sterk gedaald is tot 70%.

GCD-tests en capaciteitsbehoud. een GCD-curven bij een stroomdichtheid van 0,1 A g ⁻¹ en b capaciteitsbehoud bij verschillende stroomdichtheden van de CGACF (rode lijn en symbool ) en AC-samples (zwarte lijn en symbool )

Een ander dominant kenmerk om het massadiffusie-/overdrachtsvermogen weer te geven, is het efficiënte voor ionen toegankelijke oppervlak, dat kan worden beoordeeld aan de hand van de capaciteit per oppervlak (C _S ). Over het algemeen is een hoge C _S staat voor een hoge oppervlaktebenutting. Het verhogen van de laad-ontlaadsnelheid leidt meestal tot een scherpe daling van de C _S vanwege de onvoldoende tijd van ionendiffusie en ladingsregeling. Het is duidelijk dat zowel de CGACF- als de commerciële AC-samples vergelijkbare C . vertonen _S van 13–15 μF cm ^–2 bij 0,1 A g ^–1 (Fig. 7a), wat hun vergelijkbare ionentoegankelijkheid van het oppervlak impliceert bij zo'n lage stroomdichtheid. Desalniettemin vertoont AC een veel steilere dalende trend als de laad-ontlaadsnelheid toeneemt in vergelijking met CGACF. Bijvoorbeeld een lage C _S van 9 μF cm ⁻² wordt verkregen bij 20 A g ⁻¹ voor AC, terwijl de C _S van CGACF blijft boven 13 μF cm ⁻² . Deze waarde is, voor zover wij weten, veel beter dan die van de meeste op biomassa/afval gebaseerde APCM's bij hoge stroomdichtheid [42,43,44,45,46]. Bovendien, na het herhalen van de laad-ontlaadtests gedurende 5000 cycli bij een stroomdichtheid van 1 A g ⁻¹ , CGACF vertoont een goede fietsduurzaamheid met een capaciteitsbehoud van 96,3% (Fig. 7b).

C _S en fietsstabiliteitstests. een C _S bij verschillende stroomdichtheden en (b ) fietsstabiliteit bij de stroomdichtheid van 1 A g ⁻¹ voor 5000 cycli van de monsters. CGACF:rode lijn en symbool; AC:zwarte lijn en symbool

Over het algemeen zijn de uitstekende supercapacitieve prestaties van de CGACF inclusief hoge C _g , fietsstabiliteit en superieure hoge snelheid kunnen worden toegeschreven aan de volgende factoren:(1) het grote oppervlak van 1435 m ² g ⁻¹ bijgedragen door de hiërarchische meso/microporiën biedt veel actieve plaatsen voor energieopslag; (2) de onderling verbonden 3D-frameworks op het vezeloppervlak in combinatie met de goed behouden vezelmorfologie bieden zeer efficiënte elektrolyt- en elektronendiffusie-/overdrachtsroutes voor een hoog gebruik van respectievelijk het oppervlak en het uitstekende geleidende skelet, vooral onder hoge stroomsterkte dichtheden.