Высокопроизводительные электроды суперконденсаторов из иерархически пористого угля из биотоплива лигносульфоната

Аннотация

Использование биотоплива в качестве прекурсоров для приготовления наноматериалов с добавленной стоимостью критически важно для устойчивого развития устройств. Лигносульфонаты являются побочными продуктами целлюлозно-бумажных производств и обычно утилизируются как отходы. В настоящем исследовании лигносульфонат используется в качестве прекурсора для приготовления иерархически упорядоченного пористого угля с взаимосвязанными порами для применения в электрохимическом накоплении энергии. Уникальная молекулярная структура и свойства лигносульфоната обеспечивают получение высококачественного пористого угля с контролируемой пористой структурой и улучшенными физическими свойствами. В результате аспирированный иерархически упорядоченный пористый уголь показывает отличную производительность накопления энергии при сборке симметричного суперконденсатора, который демонстрирует высокую удельную емкость 289 Ф/г при плотности тока 0,5 А/г, с энергетической плотностью 40 Вт·ч/кг при мощностной плотности 900 Вт/кг. Настоящее исследование предоставляет перспективную стратегию для изготовления высокопроизводительных устройств накопления энергии при низкой стоимости.

Введение

Суперконденсаторы представляют перспективу как устройства накопления энергии для резервных систем и различной электроники благодаря их высокой мощностной плотности, долгому циклическому сроку службы, легкости по сравнению с батареями и обычными конденсаторами. Углеродные наноматериалы известны своей отличной производительностью накопления энергии в качестве активных электродных материалов в суперконденсаторах, которые хранят электричество через электрохимический двойной слой. Их производительность накопления энергии определяется физическими свойствами активных электродных материалов, особенно пористой структурой. Макропоры (более 50 нм) служат ионными буферными резервуарами, мезопоры (2–50 нм) — каналами транспорта ионов электролита, а микропоры обычно — местами накопления заряда. Наша предыдущая работа, основанная на линейном корреляционном исследовании, указывает на то, что удельная емкость и скоростная способность сильно связаны с объемом как микропор, так и мезопор соответственно. Суперконденсаторы на основе углеродных наноматериалов ожидают иметь иерархическую пористую структуру с сбалансированным распределением макропор, мезопор и микропор, которые взаимосвязаны.

Значительные усилия были предприняты для приготовления иерархически пористого угля для лучшей производительности накопления энергии. Исследователи разработали различные жесткие шаблоны, включая цеолит, MCM-41, MCM-48, SBA-15, SBA-16 и KIT-6 для приготовления пористого угля с упорядоченными мезопорами. Химическая и физическая активация также широко применяются, что обычно приводит к случайно распределенным закрытым порам и, следовательно, показывает плохую управляемость пористой структуры.

Биомасса и биотопливо химически и физически активировали при высоких температурах для приготовления пористого угля. Некоторые из них использовались в шаблонных методах для синтеза пористого угля с упорядоченной пористой структурой. Многие пористые угли готовят из дорогих и невосстанавливаемых поверхностно-активных веществ и блок-кополимеров. Лигнин — второе по обилию органическое вещество и самый обилитый ароматический полимер, существующий в растительных видах. В бумажной промышленности лигнин конвертируется в лигносульфонаты в процессе варки и обычно утилизируется как отходы, вызывая серьезные экологические проблемы. Лигносульфонаты — это типичные маленькие молекулы с ароматическим кольцом и кислородсодержащими группами. Они обычно имеют гораздо меньшую молекулярную массу, чем лигнин, и демонстрируют отличную водорастворимость благодаря кислородсодержащим группам. Эти достоинства делают лигносульфонаты идеальными прекурсорами, которые могут быть использованы в шаблонном методе для синтеза ценного пористого угля с упорядоченной пористой структурой.

В настоящем исследовании мы использовали KIT-6 в качестве жесткого шаблона за его хорошую взаимосвязанность упорядоченных пор и управляемость размера пор для приготовления упорядоченного мезопористого угла в сочетании с последующей химической активации для создания микропор в мезопористой структуре. Натрий лигносульфонат был использован в качестве прекурсора. Аспирированный иерархически упорядоченный пористый уголь (HOPC) использовался для сборки симметричного суперконденсатора, который показывает выдающуюся производительность накопления энергии.

Методы

Приготовление KIT-6

Упорядоченный мезопористый силициевый шаблон (KIT-6) синтезировали согласно ссылке [24]. В модифицированной процедуре 5,53 г плюроника P123 (EO₂₀PO₇₀EO₂₀, М = 5800, Aldrich) сначала растворяли в 200 г деионизированной воды, содержащей 10,9 г концентрированного HCl (35%) в стеклянной бутылке 250 мл. 5,53 г бутанола затем добавляли в бутылку под мешанием при 35 °C. После мешания 1 ч, 11,9 г ТЭОС (тетраэтил ортосиликат, Aldrich) добавляли в вышеуказанный раствор, и затем смесь мешали 24 ч при 35 °C. Бутылка затем выдерживалась еще 24 ч при 100 °C в статических условиях. Твердый продукт собирали через фильтрацию и сушили при 100 °C без промывки. Органический остаток удаляли экстракцией в смеси этанола и HCl, за которой следовала кальцинация при 550 °C в течение 6 ч.

Приготовление упорядоченного мезопористого угля

Упорядоченный мезопористый уголь (OMC) приготовляли с использованием аспирированного KIT-6 в качестве жесткого шаблона и натрий лигносульфоната в качестве углеродного источника. Вышесинтезированный силициевый шаблон KIT-6 использовали для загрузки лигносульфоната. Типично, 0,6 г натрий лигносульфоната, приобретенного в Lanyi Reagent (Пекин, Китай), растворяли в 15 мл деионизированной воды, за чем добавляли 0,6 г шаблона KIT-6. Смесь держали на мешании 24 ч при комнатной температуре, за чем сушили при 70 °C. Высушенный композит, содержащий силиций и натрий лигносульфоната, использовали в качестве прекурсора для углеобразования. Процесс углеобразования проводили при 900 °C в течение 2 ч в аргоне с расходом газа 30 сccm. После углеобразования силициевый шаблон удаляли погружением композита в 2,5 М водной раствор NaOH в течение 12 ч при комнатной температуре. После промывочной обработки разбавленным раствором HCl и деионизированной водой получали мезопористый упорядоченный уголь (сокращенно OMC) и записывали как OMC-900 (цифра указывает на температуру углеобразования). OMC-700, OMC-800 и OMC-1000 относятся к полученным образцам, углеобразованным при 700 °C, 800 °C и 1000 °C соответственно.

Приготовление иерархически упорядоченного пористого угля

Для приготовления иерархически упорядоченного пористого угля (сокращенно HOPC) применяли процесс последующей химической активации. Кратко, аспирированный OMC-900 однородно смешивали с раствором ZnCl₂ с массовым соотношением угля к ZnCl₂ 1:1 и сушили при 110 °C в течение 6 ч. Активационная обработка проводили нагреванием композитов при 900 °C в течение 3 ч в аргоне с расходом газа 30 сccm. Для исследования влияния температуры углеобразования шаблоны KIT-6, пропитанные натрий лигносульфонатом, также углеобразовывали при 700 °C и 800 °C, отмечая как OMC-700 и OMC-800. Для сравнения чистый натрий лигносульфонат без какого-либо обращения прямо углеобразовывали при тех же условиях, и полученный уголь записывали как lignin-carbon.

Характеризация

Морфология аспирированного шаблона KIT-6 и пористых углеродных образцов характеризовали с использованием растрированной электронной микроскопии (SEM) Hitachi SU8020. Тонкая пористая структура дополнительно изучали на передаточной электронной микроскопии (TEM) JEOL 2100F. Низкоугловая XRD дифракционная диаграмма записывалась на рентгеновском дифрактометре порошкового метода XD-2/XD-3 advance. Химическая структура изучали с использованием рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) ESCALAB250Xi. Рамановская характеристика проводили с использованием рамановской спектроскопии HORIBA Science. Фурье-преобразованные инфракрасные (FTIR) спектры записывали с использованием спектроскопии NEXUS 670 FTIR. Пористые характеристики шаблона KIT-6 и пористого угля анализировали экспериментами адсорбции/десорбции N₂ при 77 К с использованием Micromeritic ASAP2020 V3.02 H. Удельная площадь поверхности измеряла по методу Брunaуэра-Эмметта-Теллера (BET), а распределение размера пор рассчитывали с использованием модели теории функционала плотности (NLDFT) для щелевидных пор.

Электрохимические измерения

Электрохимическая производительность аспирированных пористых углеродных образцов изучали с использованием трехэлектродной конфигурации. Оптимизированный HOPC в конечном счете исследовали с использованием двухэлектродной конфигурации. Рабочий электрод в трехэлектродной системе фабриковали физическим смешиванием аспирированного пористого угля и PVDF, растворенного заранее в растворителе NMP с массовым соотношением угля к PVDF 9:1. Однородная суспензия наносилась на никелевую фольгу с площадью покрытия около 1 см², за чем сушили при 80 °C в течение 12 ч для удаления остаточного растворителя. В трехэлектродном тестировании платиновую пластину (1 см²) и Ag/AgCl использовали в качестве контрэлектрода и референс-электрода соответственно. Рабочий электрод в двухэлектродной системе готовили той же процедурой с заменой никелевой фольги на никелевую пену. Никелевые пены с одинаковым количеством загрузки активных электродных материалов использовали для сборки симметричного суперконденсатора, в котором фильтровальная бумага использовалась в качестве сепаратора. В обеих трехэлектродной и двухэлектродной конфигурациях 6 М водной раствор KOH использовался в качестве электролита.

Циклическая вольтамметрия (CV), электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) и постоянный гальваниостатический заряд/разряд проводили на приборе Gamry Reference 3000. CV измерение в трехэлектродной конфигурации выполняли в окне потенциалов от −1 до 0 В относительно Ag/AgCl, в то время как окно потенциалов в симметричном суперконденсаторе было 0–1 В. EIS характеристика проводилась при амплитуде переменного тока 5 мВ в диапазоне частот от 1 МГц до 0,01 Гц. Удельная емкость из CV кривых, собранных из трехэлектродного тестирования, рассчитывалась уравнением C = ∫I dt / mV. Удельная емкость, выведенная из CV кривой в двухэлектродном тестировании и гальваниостатическом тестировании, определялась через C = 4∫I dt / MV и C = 4I t / MV соответственно, где I — разрядной ток, t — время разряда, V — рабочее окно напряжения, m — масса активного материала на рабочем электроде в трехэлектродной конфигурации, M — общая масса активного материала на двух электродах в симметричном суперконденсаторе. Энергетическая плотность (E) и мощностная плотность (P) рассчитывались из гальваниостатического заряда/разряда через E = CV²/2 и P = E/t соответственно, где C — удельная емкость из двухэлектродного тестирования, t — время разряда.

Результаты и обсуждение

Образец HOPC синтезировали через пять шагов, как проиллюстрировано на рис. 1. (a) Силициевый шаблон KIT-6 приготовлен модифицированным методом из литературы [24]; (b) натрий лигносульфонат импрегнирован в шаблон KIT-6 погружением силициевого шаблона KIT-6 в водной раствор натрий лигносульфоната; (c) KIT-6, загруженный натрий лигносульфонатом, углеобразовывали 2 ч в аргоне. Для оптимизации процесса углеобразования мы проводили углеобразование при 700 °C, 800 °C, 900 °C и 1000 °C. (d) После углеобразования силициевый шаблон KIT-6 затем удаляли в теплом 2,5 М растворе NaOH для получения упорядоченного мезопористого угля (OMC); (e) углеродный образец OMC дополнительно химически активировали с использованием ZnCl₂ при 900 °C в течение 3 ч для приготовления HOPC.

Аспирированный силициевый шаблон KIT-6 сначала анализировали низкоугловой порошковой XRD дифракционной диаграммой, как показано на рис. 2a. Аспирированный KIT-6 силиций принадлежит кубической группе Ia3d с двумя характерными дифракционными пиками при 1° и 1,2° плоскостей (211) и (220) кубической упорядоченной мезопористой структуры. Результаты анализа адсорбции/десорбции N₂ показывают, что шаблон KIT-6 силиция состоит из большинства мезопор и немногих микропор, с хорошей взаимосвязанностью (рис. 2b). Распределение размера пор центрировано при 2,5 нм и 7,5 нм (рис. 2c). BET (Брunaуэр-Эмметт-Теллер) удельная площадь составляет 1481 м²/г, а общий объем пор — 2,62 см³/г. Мы дополнительно изучали микроморфологию и пористую структуру синтезированного шаблона KIT-6 передаточной электронной микроскопией (TEM), как показано на рис. 2d. Яркие точки представляют поры, а темная область стенок (силиций). Толщина стенки и средний размер пор измерены как 3,1 нм и 6,4 нм соответственно. Вставка изображения FFT диаграммы на рис. 2d подтверждает периодически упорядоченную пористую структуру.

Образцы угля OMC характеризовали SEM и TEM. На рис. S1 аспирированные образцы угля OMC при разных температурах углеобразования демонстрируют сотаподобную морфологию с упорядоченными порами. Мы дополнительно использовали TEM для исследования микропористой структуры, как показано на рис. 2e–g. TEM изображения показывают упорядоченные нанодомены. Темные части — изолированный уголь, а яркие части — взаимосвязанные поры. Изображения FFT демонстрируют острые и яркие точки для всех образцов угля OMC, дополнительно подтверждая упорядоченную пористую структуру. Размер пор составляет 2,9 нм, 2,1 нм и 2,4 нм для OMC-700, OMC-800 и OMC-900 соответственно, что очень близко к толщине стенки силициевого шаблона. Напротив, образец, приготовленный из углеобразования натрий лигносульфоната без использования силициевого шаблона, не показывает пористую структуру (рис. S2). Сделан вывод, что упорядоченный мезопористый уголь успешно приготовлен с использованием натрий лигносульфоната и силициевого шаблона KIT-6 при выбранных температурах углеобразования.

Эксперименты адсорбции/десорбции азота проводили для исследования физических и химических свойств аспирированных образцов угля OMC, как показано на рис. S3. Все изотермические кривые имеют похожий промежуточный характер, и адсорбированный объем увеличивается при очень низком относительном давлении и быстро растет с относительным давлением, предполагая сосуществование как микропор, так и мезопор с высоким объемом пор для всех аспирированных образцов OMC. Распределение размера пор для образцов OMC центрировано при 0,6 нм и 2,3 нм. Мы дополнительно увеличили температуру углеобразования до 1000 °C, и изотермическая кривая образца OMC-1000, показанная на рис. S4, демонстрирует похожий профиль, указывая на похожую пористую структуру. Рисунок 3a показывает удельную площадь поверхности, общий объем пор, объем микропор и объем мезопор как функцию температуры углеобразования. Увеличение удельной площади поверхности связано с увеличением общего объема пор. Дальнейшее увеличение температуры углеобразования до 1000 °C уменьшает удельную площадь поверхности до 1948 м²/г с уменьшением объема микропор и увеличением объема мезопор. Предлагается, что оптимальная температура углеобразования составляет 900 °C. Таблица S1 суммирует физические свойства аспирированных образцов угля OMC. Обнаружено, что образец OMC-900 показывает наивысшую удельную площадь поверхности 2201 м²/г и общий объем пор 3,74 см³/г.

Поэтому мы провели химическую активацию с использованием ZnCl₂ в качестве активационного реагента, используя образец OMC-900, для дальнейшего создания иерархической пористой структуры. Как видно из SEM изображения на рис. S5, упорядоченная трехмерная пористная сеть частично разрушалась после химической активации, образуя многочисленные изолированные наночастицы. TEM изображение на рис. 2e четко показывает упорядоченные поры, а соответствующий FFT диаграмма демонстрирует яркие точки, указывающие на существование упорядоченных нанодоменов. HRTEM изображение на рис. 2f показывает, что микропоры формируются на стенках мезопор после химической активации. Результаты адсорбции/десорбции N₂ указывают, что после химической активации образец HOPC показывает значительно увеличенную удельную площадь поверхности 2602 м²/г, с объемом микропор 1,03 см³/г и объемом мезопор 3,49 см³/г (таблица S1 и рис. S6a и b).

Свойства лигносульфонатов способствуют формированию упорядоченного мезопористого угля. На рис. S7 показана репрезентативная молекулярная структура лигносульфоната, и гидроксильные группы позволяют молекулам лигносульфоната проходить реакцию перекрестного связывания. В настоящем исследовании предполагается, что молекулы лигносульфоната адсорбируются на гидрофильные силициевые стенки через гидроксильные группы и перекрестно связываются друг с другом через водородные связи для формирования трехмерных сетей. FTIR спектры шаблона KIT-6, натрий лигносульфоната и шаблона KIT-6, импрегнированного лигносульфонатами, показаны на рис. S8. Пики натрий лигносульфоната, расположенные при 3429 см⁻¹, 2950 см⁻¹, 1635 см⁻¹, 1514 см⁻¹, 1041 см⁻¹ могут быть атрибутированы растяжению O–H, растяжению C–H, растяжению C=O, растяжению C–C и растяжению C–O соответственно. Пики силициевого шаблона KIT-6, расположенные при 463 см⁻¹, 802 см⁻¹ и 1090 см⁻¹, атрибутированы качанию Si–O–Si. Пик, расположенный при 967 см⁻¹, обусловлен вибрацией Si–O поверхностных силанолов. В спектрах лигносульфонат-силиций характерные пики лигносульфоната и силиций сосуществуют, подтверждая импреgnaцию лигносульфоната в силициевый шаблон. Кроме того, пик, расположенный при 3429 см⁻¹ в лигносульфонат-силиций, расширяется, указывая на формирование водородных связей между молекулами лигносульфоната через реакцию перекрестного связывания. Адсорбированные и ориентированные молекулы лигносульфоната конвертируются в твердые углеродные слои в процессе углеобразования, что может индуцировать многочисленные закрытые поры, как освещено в шагах b и c на рис. 1. Химическая активация помогает открыть эти закрытые поры для дальнейшего улучшения физических свойств.

Рамановская характеристика использовалась для исследования степени графитизации аспирированных углеродных образцов, результаты показаны на рис. 3b. Все рамановские спектры демонстрируют характерные D-полосу и G-полосу, расположенные при 1340 см⁻¹ и 1590 см⁻¹ соответственно. Отношение интенсивности D-полосы (неупорядоченный уголь) и G-полосы (упорядоченный уголь) для образцов OMC и образца HOPC составляет около 1,06, ниже 1,17 углеродного образца, приготовленного углеобразованием лигносульфоната без использования силициевого шаблона. Этот результат указывает на то, что образцы угля OMC имеют более высокую степень графитизации, чем углеродный образец от прямого углеобразования лигносульфоната. Причина, вероятно, приписывается вышеупомянутой реакции перекрестного связывания между молекулами лигносульфоната, которая помогает ориентации ароматических колец. Результат XPS анализа на рис. S9 показывает, что все образцы в основном содержат уголь и кислород. Нет детектируемого сигнала примесей в конечных углеродных продуктах. Декомпозиция натрий лигносульфоната может дать возникновение формирования CO₂ и Na₂CO₃, которые могут быть полностью удалены в последующей промывочной обработке деионизированной водой. C1s ядро-уровень может быть деконволюционирован в четыре компонента для всех аспирированных углеродных образцов. То есть, C–O (286,7 эВ), C=O (288,0 эВ), sp² уголь (284,8 эВ, упорядоченный уголь) и sp³ уголь (285,4 эВ, неупорядоченный уголь).

Электрохимическая производительность аспирированных образцов угля OMC и активированного образца HOPC оценивалась через трехэлектродную конфигурацию в 6 М водном электролите KOH. Углеродный образец от прямого углеобразования лигносульфоната показывает пренебрежимо малую производительность накопления энергии (рис. S10). Образцы угля OMC демонстрируют прямоугольные CV профили, указывающие на улучшенную электрохимическую производительность (рис. S11 и рис. 4a). При 2 мВ/с удельная емкость составляет 59 Ф/г, 93 Ф/г, 130 Ф/г и 120 Ф/г для OMC-700, OMC-800, OMC-900 и OMC-1000 (рис. 4b). Электрод OMC-900 показывает лучшую электрохимическую производительность среди всех образцов угля OMC. После химической активации удельная емкость дополнительно увеличивается до 243 Ф/г для образца HOPC, почти в два раза выше, чем у образца OMC-900 до активации. Удельная емкость HOPC в этом исследовании намного выше, чем у грибообразного углерода (196 Ф/г при 5 мВ/с), и также выше, чем у мезопористого угля на основе графенового аэрогеля, приготовленного из жесткого силициевого шаблона (226 Ф/г при 1 мВ/с), который уменьшается до 83 Ф/г при 100 мВ/с. Для грибообразного угля удельная емкость уменьшается до 90 Ф/г при 100 мВ/с. Однако удельная емкость HOPC все еще высока как 128 Ф/г при той же скорости сканирования.

Импедансные измерения проводили для исследования проводимости образцов. На рис. S12 показаны спектры Найквиста импеданса в диапазоне частот 1 МГц–0,01 Гц и соответствующая эквивалентная схема, состоящая из эквивалентного последовательного сопротивления (R_s), зарядового переноса сопротивления (R_ct) и электрохимической двойной-слойной емкости. Эквивалентное последовательное сопротивление R_s составляет 0,7 Ом·см² для всех электродов, указывая на высокую электрическую проводимость образцов и высокое качество электродов. Диаграммы Найквиста указывают, что электрод HOPC показывает наименьшее зарядового переноса сопротивление 5 Ом.

Поставляемая энергия и мощностная плотность сильно связаны с частотно-зависимой емкостью, которая может быть выражена как:

$$ C = \frac{1}{j\omega Z} = \frac{-Z_{\text{image}}}{\omega |Z|^2} - j \frac{-Z_{\text{real}}}{\omega |Z|^2} = C_{\text{real}} - j C_{\text{image}} $$

где C и Z — емкость и сопротивление соответственно. Z_real и Z_image относятся к реальной и мнимой частям Z. C_real — реальная часть емкости, представляющая поставляемую емкость электродных материалов, а C_image — мнимая емкость, связанная с необратимыми потереми сопротивления в устройстве. На рис. S13a показано, что образец HOPC имел самый быстрый отклик. Частота f — характеристическая частота, при которой C_image достигает максимума, и t = 1/f — постоянная времени суперконденсатора. И f, и t являются характеристическими скоростными возможностями. Суперконденсаторы высокой мощностной плотности обычно имеют высокую характеристическую частоту f и малое t. На рис. S13b показаны графики C_image как функция частоты. Характеристическая частота образцов OMC-700, OMC-800, OMC-900, OMC-1000 и HOPC составляет 0,01 Гц, 0,1 Гц, 0,01 Гц, 0,01 Гц и 0,5 Гц, а соответствующая постоянная времени — 100 с, 10 с, 100 с, 100 с и 2 с. Образец HOPC показывает наивысшую характеристическую частоту и наименьшую постоянную времени, указывая на самый быстрый отклик к выходу мощности.

Было продемонстрировано, что HOPC демонстрирует высокую электрохимическую производительность. Однако для практических применений трехэлектродная конфигурация тестирования не может раскрыть фактическую способность накопления энергии. Поэтому мы использовали образец HOPC для приготовления электродов для сборки симметричных суперконденсаторов. Рисунок 4c иллюстрирует CV кривые электрода HOPC. CV профили демонстрируют почти прямоугольную форму с хорошей симметрией при всех скоростях сканирования от 2 мВ/с до 100 мВ/с, указывая на хорошие электрохимические свойства и скоростную стабильность электрода HOPC. Гальваниостатические заряд-разряд измерения при постоянных плотностях тока также выполняли на собранном симметричном суперконденсаторе, результаты показаны на рис. 4d. Линейные напряжение-время профили во время заряда и разряда показывают идеальную треугольную форму с хорошей симметрией, представляя выдающуюся способность накопления энергии электрода HOPC. Когда плотность тока была 0,5 А/г, время разряда составляет 150 с, что соответствует удельной емкости около 289 Ф/г. Удельная емкость HOPC из лигносульфоната при 10 А/г все еще высока как 166 Ф/г, как показано на рис. 4e. Производительность HOPC в этом исследовании лучше значений углеродных образцов в литературе.

Высокая удельная емкость HOPC обусловлена низким омическим сопротивлением и зарядового переноса сопротивлением, которое составляет около 0,6 Ом·см⁻¹ и 2,4 Ом·см⁻¹ соответственно, как показано на рис. S14. Фазовый угол симметричного суперконденсатора на наименьшей частоте 0,01 Гц составляет около 81,7° (рис. S15), что очень близко к значению идеального суперконденсатора (90°). Характеристическая частота составляет около 0,2 Гц, соответствующая постоянной времени 5 с. Это означает, что электрод HOPC имеет хорошую способность к выдаче мощности. Поставляемая емкость составляет 290 мФ (рис. S16). Рисунок 4f иллюстрирует график Рагона симметричного суперконденсатора. Энергетическая плотность находится в диапазоне 40 Вт·ч/кг до 23 Вт·ч/кг с мощностной плотностью около 0,9 кВт/кг до 20 кВт/кг.

Высокая удельная емкость и энергетическая плотность HOPC могут быть приписаны оптимизированной пористой структуре. Образец HOPC содержит высокий объем пор как микропор, так и мезопор. Как демонстрировано в предыдущей литературе корреляционным анализом, микропоры сильно связаны с накоплением энергии, а мезопоры — с удержанием емкости, так как мезопоры в основном отвечают за ионный транспорт. Также сделан вывод, что мезопоры вносят вклад в накопление заряда. Имея вышеуказанные инструкции в виду, мы целенаправленно использовали метод жесткого шаблона и химическую активацию для приготовления образца HOPC. Настоящие результаты не только дополнительно демонстрируют вышеуказанные выводы, но и показывают дизайн для приготовления высокопроизводительных материалов накопления энергии. Для измерения циклической стабильности симметричный суперконденсатор с использованием HOPC в качестве электродного материала повторно заряжали и разряжали при 2 А/г в течение 3000 циклов (рис. S17). Обнаружено, что после 3000 циклов удельная емкость составляет 218 Ф/г с незначительным уменьшением от начальной 253 Ф/г с удержанием емкости 86,2%. Удельная емкость нашего образца HOPC из двухэлектродной системы выше и сравнима после 3000 циклов с сообщенными значениями в таблице S2. Следовательно, настоящее исследование предоставляет потенциальный путь для разработки высокопроизводительных активных электродных материалов суперконденсаторов из промышленных отходов.

Заключение

В этом исследовании мы успешно приготовили упорядоченные мезопористые углеродные материалы, используя биотопливо лигносульфонат в качестве углеродного источника с использованием метода литья в форму на основе шаблона KIT-6. В процессе литья в форму лигносульфонат легко может быть отлит в поры KIT-6. Реакция перекрестного связывания молекул лигносульфоната не только увеличивает объем пор, но и соединяет ароматические кольца для продвижения графитизации. Аспирированные упорядоченные мезопористые угли демонстрируют высокую электрическую проводимость, высокую удельную площадь поверхности и объем пор, которые сильно зависят от температуры углеобразования. Результаты рамановского анализа и экспериментов адсорбции/десорбции N₂ показывают, что образец OMC-900 имеет лучшие физические свойства. Пористая структура OMC-900 была дополнительно оптимизирована через химическую активацию ZnCl₂ для приготовления HOPC. Удельная емкость HOPC в симметричном суперконденсаторе составляла около 289 Ф/г с энергетической плотностью до 40 Вт·ч/кг. Настоящее исследование указывает, что лигносульфонат очень подходит для приготовления иерархически упорядоченного пористого угля при низкой стоимости с высокопроизводительными суперконденсаторами.