废弃荔枝壳资源化及超级电容器性能研究
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作者:林威 彭超 李长旭
摘要：通过氢氧化钾溶液水热和活化工艺，将废弃荔枝壳转化为生物质分级多孔活性炭材料。当电流密度为1 A g-1时，所制备的炭材料以氢氧化钠和氢氧化钾为电解液的比电容分别为376 F g-1和333 F g-1;继而为废弃荔枝壳提供一种资源化的可行途径，并增加其附加值。
关键词：荔枝壳;资源化;水热;活化;超级电容器
Abstract：The waste litchi shell is converted into biomass graded porous activated carbon material through the hydrothermal of potassium hydroxide aqueous and carbonization process.When the current density is 1 A g-1， the specific capacitances of the prepared porous carbon material using sodium hydroxide aqueous and potassium hydroxide aqueous as electrolytes are 376 F g-1 and 333 F g-1，respectively.In addition，it provides a feasible way of resource for waste litchi shell，and increase its added value.
Key words：Litchi shell;Resource;Hydrothermal;Activation;Supercapacitor
1 背景介绍
超级电容器，一种能量密度和功率密度介于电池和物理电容器之间的能量储存器件[1]。超级电容器用生物质活性炭因低廉的成本、丰富的含氧官能团和较高的比表面积等特性倍受研究人员青睐用于电极材料研究[2]。生物质活性炭通过KOH活化工艺，以胖大海、柚子皮等生物质为碳源所制备的多孔活性炭材料拥有良好的电化学电容性能[3，4]。
近来，国家倡导了一些“无废城市”的试点，其中一项主要工作就是推进固体废物源头减量和资源化利用，即将可能再利用的固体废物进行资源化，并实现附加值的增值利用。本文以废弃生物质荔枝壳作为碳源，以氢氧化钾溶液水热和活化工艺制备多孔活性炭材料，通过BET测试、SEM、FT-IR和电化学测试方法来表征所制备的炭材料的相关性能参数。
2 实验部分
2.1 实验材料及主要仪器
材料及试剂：废弃荔枝壳，氩气，氢氧化钾，泡沫镍，聚四氟乙烯，乙炔黑和导电石墨;
仪器：电子分析天平（TP-114），水平管式炉（GSL-1700X），BET测试仪（ASAP-2000）和电化学工作站（CHI 660D）。
2.2 荔枝壳分级多孔活性炭的制備
收集废弃荔枝壳，自然风干备用。水热过程：将风干荔枝壳在盛有2mol/L KOH溶液的反应釜中80℃恒温12h，洗净后得样品LC-1;活化过程：水热后的荔枝壳冷冻干燥后在氩气氛围中800 ℃并保温60min，洗净后得样品LC-2。
3 结果与讨论
3.1 荔枝壳分级多孔活性炭的微观结构
图3.1a中可看出LC-2炭材料氮气吸脱附曲线为IV型滞留环，即为中孔结构材料;LC-1材料的吸附曲线几乎成为一条直线。图3.1b表明LC-2材料最大吸附量位于微孔尺寸范围内的1.09 nm处，同时在介孔和大孔范围内也存在一定量的分布;而LC-1仅在介孔和大孔范围内有极小的孔径分布。随着高温活化工艺的引入，荔枝壳在氢氧化钾的作用下产生了扩孔作用，在水热后的产物表面形成了微孔、介孔和大孔的分级多孔结构;这有利于电解液离子快速地在电极-电解液界面形成致密的双电层电容。
3.2 荔枝壳分级多孔活性炭的电容行为
图2中，LC-2炭材料在氢氧化钾和氢氧化钠电解液中均拥有较高的比电容，这得利益于LC-2材料中的微孔集中在1.09 nm附近，可在电极-电解液界面形成完整的双电层电容。进一步分析得到：当电流密度为1 A g-1时，氢氧化钠电解液的比电容376 F g-1略微高于氢氧化钾电解液的比电容333 F g-1;这主要归结于钠离子的半径小于钾离子的半径，更加充分的利用了炭材料的微孔结构形成了双电层电容。
4 结论
以废弃荔枝壳为生物质碳源，采用氢氧化钾溶液水热和活化工艺制备的活性炭材料呈分级多孔结构。所制备的多孔炭材料在氢氧化钠和氢氧化钾电解液中均拥有良好的比电容;这为落实废弃荔枝壳资源化和减量化的可行途径奠定了有力举措。
参考文献
[1]桂长清.新型贮能单元超级电容器[J].电池工业，2003，8（4）：163-165.
[2]陈列春.超级电容器电极材料的制备与研究[D].广州：广东工业大学工学硕士学位论文，2008.
[3]Xu Zhang，Chao Peng，Rutao Wang，Junwei Lang.High-performance supercapacitors based on novel carbons derived from sterculia lychnophora[J].RSC Adv.，2015（5）：32159-32167.
[4]Chao Peng，Junwei Lang，Shan Xu，Xiaolai Wang.Oxygen-enriched activated carbons from pomelo peel in high energy density supercapacitors[J].RSC Adv.， 2014（4）：54662-54667.
收稿日期：2020-05-07
作者简介：林威（1990-），男，汉族，本科学历，助理工程师，研究方向为生物质活性炭的制备及应用研究和污染场地调查、风险评估和治理修复。
通讯作者：彭超（1987-），汉族，硕士研究生，中级工程师，研究方向为生物质活性炭的制备及应用研究和污染场地环境调查、风险评估和治理修复。
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