含磷活性炭作为双电层电容器电极材料的电化学性能

王永芳 左宋林

引用本文: 王永芳, 左宋林. 含磷活性炭作为双电层电容器电极材料的电化学性能[J]. 物理化学学报, 2016, 32(2): 481-492. doi: 10.3866/PKU.WHXB201511041 shu
Citation:  WANG Yong-Fang, ZUO Song-Lin. Electrochemical Properties of Phosphorus-Containing Activated Carbon Electrodes on Electrical Double-Layer Capacitors[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2016, 32(2): 481-492. doi: 10.3866/PKU.WHXB201511041 shu

含磷活性炭作为双电层电容器电极材料的电化学性能

    通讯作者: 左宋林
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(31270621) (31270621)

    国家林业局948引进项目(2012-4-08)资助 (2012-4-08)

摘要: 采用磷酸活化和磷酸改性制备了不同种类的含磷活性炭,采用元素分析、X射线光电子能谱(XPS)和氮气吸附等手段分析了活性炭的元素含量、表面化学性质和孔隙结构,采用恒电流充放电、循环伏安和交流阻抗分别考察了活性炭在KOH和H2SO4电解质溶液中作为超级电容器电极材料的电化学性能,采用自由截距多元线性回归拟合统计分析研究了活性炭电极比电容量的影响因素,应用三电极体系分析了磷元素对活性炭电化学性能的影响机理。研究结果表明,活性炭掺杂的磷引入了赝电容,提高了活性炭电极的比电容量,磷元素含量为5.88%(w)的活性炭的比电容量在0.1 A·g-1下达到185 F·g-1。统计分析结果显示,活性炭的中孔有利于电解质离子向微孔内的扩散。在6 mol·L-1 KOH电解质溶液中,孔径在1.10-1.61 nm、2.12-2.43nm及3.94-4.37 nm范围内是电解质离子在活性炭孔隙内部形成双电层的主要场所;在1 mol·L-1 H2SO4电解质溶液中,孔径在0.67-0.72 nm范围内有利于双电层电容的形成。

English

    1. [1]

      (1) Wu, Y. B.; Bi, J.; Wei, B. B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2015, 31 (2), 315. [吴艳波, 毕军, 魏斌斌. 物理化学学报, 2015, 31 (2), 315.] doi: 10.1016/j.electacta.2004.07.045(1) Wu, Y. B.; Bi, J.; Wei, B. B. Acta Phys. -Chim. Sin. 2015, 31 (2), 315. [吴艳波, 毕军, 魏斌斌. 物理化学学报, 2015, 31 (2), 315.] doi: 10.1016/j.electacta.2004.07.045

    2. [2]

      (2) Gryglewicz, G.; Machnikowski, J.; Lorenc-Grabowska, E.; Lota, G.; Frackowiak, E. Electrochim. Acta 2005, 50 (5), 1197. doi: 10.1016/j.electacta.2004.07.045(2) Gryglewicz, G.; Machnikowski, J.; Lorenc-Grabowska, E.; Lota, G.; Frackowiak, E. Electrochim. Acta 2005, 50 (5), 1197. doi: 10.1016/j.electacta.2004.07.045

    3. [3]

      (3) Chmiola, J.; Yushin, G.; Dash, R.; Gogotsi, Y. J. Power Sources 2006, 158 (1), 765. doi: 10.1016/j.jpowsour.2005.09.008(3) Chmiola, J.; Yushin, G.; Dash, R.; Gogotsi, Y. J. Power Sources 2006, 158 (1), 765. doi: 10.1016/j.jpowsour.2005.09.008

    4. [4]

      (4) Raymundo-Piñ ero, E.; Kierzek, K.; Machnikowski, J.; Bé guin, F. Carbon 2006, 44 (12), 2498. doi: 10.1016/j.carbon.2006.05.022(4) Raymundo-Piñ ero, E.; Kierzek, K.; Machnikowski, J.; Bé guin, F. Carbon 2006, 44 (12), 2498. doi: 10.1016/j.carbon.2006.05.022

    5. [5]

      (5) Seredych, M.; Hulicova-Jurcakova, D.; Lu, G. Q.; Bandosz, T. J.Carbon 2008, 46 (11), 475. doi: 10.1016/j.carbon.2008.06.027(5) Seredych, M.; Hulicova-Jurcakova, D.; Lu, G. Q.; Bandosz, T. J.Carbon 2008, 46 (11), 475. doi: 10.1016/j.carbon.2008.06.027

    6. [6]

      (6) Li, Z. H.; Li, S. J.; Zhou, J.; Zhu, T. T.; Shen, H. L.; Zhuo, S. P.Acta Phys. -Chim. Sin. 2015, 31 (4), 676. [李朝辉, 李仕蛟, 周晋, 朱婷婷, 沈红龙, 禚淑萍. 物理化学学报, 2015, 31 (4), 676.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201501281(6) Li, Z. H.; Li, S. J.; Zhou, J.; Zhu, T. T.; Shen, H. L.; Zhuo, S. P.Acta Phys. -Chim. Sin. 2015, 31 (4), 676. [李朝辉, 李仕蛟, 周晋, 朱婷婷, 沈红龙, 禚淑萍. 物理化学学报, 2015, 31 (4), 676.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201501281

    7. [7]

      (7) Zhou, Y.; Wang, D. L.; Xiao, N.; Hou, Y. C.; Qiu, J. S. Acta Phys. -Chim. Sin. 2014, 30 (6), 1127. [周颖, 王道龙, 肖南, 侯雨辰, 邱介山. 物理化学学报, 2014, 30 (6), 1127.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201404013(7) Zhou, Y.; Wang, D. L.; Xiao, N.; Hou, Y. C.; Qiu, J. S. Acta Phys. -Chim. Sin. 2014, 30 (6), 1127. [周颖, 王道龙, 肖南, 侯雨辰, 邱介山. 物理化学学报, 2014, 30 (6), 1127.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201404013

    8. [8]

      (8) Hulicova-Jurcakova, D.; Seredych, M.; Lu, G. Q.; Kodiweera, N. K. A. C.; Stallworth, P. E.; Greenbaum, S.; Bandosz, T. J.Carbon 2009, 47 (6), 1576. doi: 10.1016/j.carbon.2009.02.006(8) Hulicova-Jurcakova, D.; Seredych, M.; Lu, G. Q.; Kodiweera, N. K. A. C.; Stallworth, P. E.; Greenbaum, S.; Bandosz, T. J.Carbon 2009, 47 (6), 1576. doi: 10.1016/j.carbon.2009.02.006

    9. [9]

      (9) Hulicova-Jurcakova, D.; Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Suá rez-Garcí a, F.; Tascó n, J. M. D.; Lu, G. Q. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131 (14), 5026. doi: 10.1021/ja809265m(9) Hulicova-Jurcakova, D.; Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Suá rez-Garcí a, F.; Tascó n, J. M. D.; Lu, G. Q. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131 (14), 5026. doi: 10.1021/ja809265m

    10. [10]

      (10) Huang, C. C.; Puziy, A. M.; Sun, T.; Poddubnaya, O. I.; Suá rez-Garcí a, F.; Tascó n, J. M. D.; Hulicova-Jurcakova, D.Electrochim. Acta 2014, 137, 219.(10) Huang, C. C.; Puziy, A. M.; Sun, T.; Poddubnaya, O. I.; Suá rez-Garcí a, F.; Tascó n, J. M. D.; Hulicova-Jurcakova, D.Electrochim. Acta 2014, 137, 219.

    11. [11]

      (11) Huang, C. C.; Sun, T.; Hulicova-Jurcakova, D. ChemSusChem 2013, 6 (12), 2330. doi: 10.1002/cssc.201300457(11) Huang, C. C.; Sun, T.; Hulicova-Jurcakova, D. ChemSusChem 2013, 6 (12), 2330. doi: 10.1002/cssc.201300457

    12. [12]

      (12) Neimark, A. V.; Lin, Z.; Ravikovitch, P. I.; Thommes, M.Carbon 2009, 47 (7), 1617. doi: 10.1016/j.carbon.2009.01.050(12) Neimark, A. V.; Lin, Z.; Ravikovitch, P. I.; Thommes, M.Carbon 2009, 47 (7), 1617. doi: 10.1016/j.carbon.2009.01.050

    13. [13]

      (13) Guo, H. L.; Gao, Q. M. J. Power Sources 2009, 186 (2), 551. doi: 10.1016/j.jpowsour.2008.10.024(13) Guo, H. L.; Gao, Q. M. J. Power Sources 2009, 186 (2), 551. doi: 10.1016/j.jpowsour.2008.10.024

    14. [14]

      (14) Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Martí nez-Alonso, A.; Suá rez-Garcí a, F.; Tascó n, J. M. D. Carbon 2002, 40 (9), 1493. doi: 10.1016/S0008-6223(01)00317-7(14) Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Martí nez-Alonso, A.; Suá rez-Garcí a, F.; Tascó n, J. M. D. Carbon 2002, 40 (9), 1493. doi: 10.1016/S0008-6223(01)00317-7

    15. [15]

      (15) Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Martí nez-Alonso, A.; Suá rez-Garcí a, F.; Tascó n, J. M. D. Carbon 2005, 43 (14), 2857. doi: 10.1016/j.carbon.2005.06.014(15) Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Martí nez-Alonso, A.; Suá rez-Garcí a, F.; Tascó n, J. M. D. Carbon 2005, 43 (14), 2857. doi: 10.1016/j.carbon.2005.06.014

    16. [16]

      (16) Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Martí nez-Alonso, A.; Castro-Muñ iz, A.; Suá rez-Garcí a, F.; Tascó n, J. M. D. Carbon 2007, 45 (10), 1941. doi: 10.1016/j.carbon.2007.06.014(16) Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Martí nez-Alonso, A.; Castro-Muñ iz, A.; Suá rez-Garcí a, F.; Tascó n, J. M. D. Carbon 2007, 45 (10), 1941. doi: 10.1016/j.carbon.2007.06.014

    17. [17]

      (17) Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Sobiesiak, M.; Gawdzik, B.Adsorption 2013, 19, 717. doi: 10.1007/s10450-013-9497-4(17) Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Sobiesiak, M.; Gawdzik, B.Adsorption 2013, 19, 717. doi: 10.1007/s10450-013-9497-4

    18. [18]

      (18) Sing, K. S.W.; Everett, D. H.; Haul, R. A.W.; Moscou, L.; Pierotti, R. A.; Rouqué rol, J.; Siemieniewska, T. Pure Appl. Chem. 1985, 57 (4), 603.(18) Sing, K. S.W.; Everett, D. H.; Haul, R. A.W.; Moscou, L.; Pierotti, R. A.; Rouqué rol, J.; Siemieniewska, T. Pure Appl. Chem. 1985, 57 (4), 603.

    19. [19]

      (19) Frackowiak, E.; Bé guin, F. Carbon 2001, 39 (6), 937. doi: 10.1016/S0008-6223(00)00183-4(19) Frackowiak, E.; Bé guin, F. Carbon 2001, 39 (6), 937. doi: 10.1016/S0008-6223(00)00183-4

    20. [20]

      (20) Kannan, A. G.; Choudhury, N. R.; Dutta, N. K. Polymer 2007, 48 (24), 7078. doi: 10.1016/j.polymer.2007.09.050(20) Kannan, A. G.; Choudhury, N. R.; Dutta, N. K. Polymer 2007, 48 (24), 7078. doi: 10.1016/j.polymer.2007.09.050

    21. [21]

      (21) Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Socha, R. P.; Gurgul, J.; Wisniewski, M. Carbon 2008, 46 (15), 2113. doi: 10.1016/j.carbon.2008.09.010(21) Puziy, A. M.; Poddubnaya, O. I.; Socha, R. P.; Gurgul, J.; Wisniewski, M. Carbon 2008, 46 (15), 2113. doi: 10.1016/j.carbon.2008.09.010

    22. [22]

      (22) Shih, P. Y.; Yung, S.W.; Chin, T. S. J. Non-Cryst. Solids 1999, 244 (2-3), 211. doi: 10.1016/S0022-3093(99)00011-3(22) Shih, P. Y.; Yung, S.W.; Chin, T. S. J. Non-Cryst. Solids 1999, 244 (2-3), 211. doi: 10.1016/S0022-3093(99)00011-3

    23. [23]

      (23) Biniak, S.; Szymański, G.; Siedlewski, J.; Ś wiatkowski, A.Carbon 1997, 35 (12), 1799. doi: 10.1016/S0008-6223(97)00096-1(23) Biniak, S.; Szymański, G.; Siedlewski, J.; Ś wiatkowski, A.Carbon 1997, 35 (12), 1799. doi: 10.1016/S0008-6223(97)00096-1

    24. [24]

      (24) Barbaux, Y.; Dekiouk, M.; Maguer, D. L.; Gengembre, L.; Huchette, D.; Grimblot, J. Appl. Catal. A 1992, 90 (1), 51. doi: 10.1016/0926-860X(92)80247-A(24) Barbaux, Y.; Dekiouk, M.; Maguer, D. L.; Gengembre, L.; Huchette, D.; Grimblot, J. Appl. Catal. A 1992, 90 (1), 51. doi: 10.1016/0926-860X(92)80247-A

    25. [25]

      (25) Van der Plas, T. Texture and Chemistry of Carbon Surface. InPhysical and Chemical Aspects of Adsorbents and Catalysts; Linsen, B. G. Ed.; Academic Press: London, 1970; Chapter 9.(25) Van der Plas, T. Texture and Chemistry of Carbon Surface. InPhysical and Chemical Aspects of Adsorbents and Catalysts; Linsen, B. G. Ed.; Academic Press: London, 1970; Chapter 9.

    26. [26]

      (26) Fuertes, A. B.; Pico, F.; Rojo, J. M. J. Power Sources 2004, 133(2), 329. doi: 10.1016/j.jpowsour.2004.02.013(26) Fuertes, A. B.; Pico, F.; Rojo, J. M. J. Power Sources 2004, 133(2), 329. doi: 10.1016/j.jpowsour.2004.02.013

    27. [27]

      (27) Zhao, X.; Zhang, Q.; Chen, C. M.; Zhang, B.; Reiche, S.; Wang, A.; Zhang, T.; Schlö l, R.; Su, D. S. Nano Energy 2012, 1 (4), 624. doi: 10.1016/j.nanoen.2012.04.003(27) Zhao, X.; Zhang, Q.; Chen, C. M.; Zhang, B.; Reiche, S.; Wang, A.; Zhang, T.; Schlö l, R.; Su, D. S. Nano Energy 2012, 1 (4), 624. doi: 10.1016/j.nanoen.2012.04.003

    28. [28]

      (28) Gu, W.; Sevilla, M.; Magasinski, A.; Fuertes, A. B.; Yushin, G.Energy Environ. Sci. 2013, 6 (8), 2465. doi: 10.1039/c3ee41182f(28) Gu, W.; Sevilla, M.; Magasinski, A.; Fuertes, A. B.; Yushin, G.Energy Environ. Sci. 2013, 6 (8), 2465. doi: 10.1039/c3ee41182f

    29. [29]

      (29) Zapata-Benabihe, Z.; Moreno-Castilla, C.; Carrasco-Marí n, F.Langmuir 2014, 30 (6), 1716. doi: 10.1021/la404667y(29) Zapata-Benabihe, Z.; Moreno-Castilla, C.; Carrasco-Marí n, F.Langmuir 2014, 30 (6), 1716. doi: 10.1021/la404667y

    30. [30]

      (30) Hulicova, D.; Kodama, M.; Hatori, H. Chem. Mater. 2006, 18(9), 2318. doi: 10.1021/cm060146i(30) Hulicova, D.; Kodama, M.; Hatori, H. Chem. Mater. 2006, 18(9), 2318. doi: 10.1021/cm060146i

    31. [31]

      (31) Konno, H.; Ito, T.; Ushiro, M.; Fushimi, K.; Azumi, K. J. Power Sources 2010, 195 (6), 1739. doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.09.072(31) Konno, H.; Ito, T.; Ushiro, M.; Fushimi, K.; Azumi, K. J. Power Sources 2010, 195 (6), 1739. doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.09.072

    32. [32]

      (32) Shi, H. Electrochim. Acta 1996, 41 (10), 1633. doi: 10.1016/0013-4686(95)00416-5(32) Shi, H. Electrochim. Acta 1996, 41 (10), 1633. doi: 10.1016/0013-4686(95)00416-5

    33. [33]

      (33) Zhi, M.; Yang, F.; Meng, F.; Li, M.; Manivannan, A.; Wu, N.ACS Sustainable Chem. Eng. 2014, 2 (7), 1592. doi: 10.1021/sc500336h(33) Zhi, M.; Yang, F.; Meng, F.; Li, M.; Manivannan, A.; Wu, N.ACS Sustainable Chem. Eng. 2014, 2 (7), 1592. doi: 10.1021/sc500336h

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  3
  • 文章访问数:  661
  • HTML全文浏览量:  81
文章相关
  • 收稿日期:  2015-06-30
  • 网络出版日期:  2015-11-03
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章