2.2碳電極材料的晶相結構及化學(xué)成分

X射線(xiàn)衍射（XRD）通過(guò)其獨特的衍射模式揭示材料的晶體結構信息，可以進(jìn)一步理解材料的基本特性、優(yōu)化性能并指導新材料的研發(fā)。圖3為5種碳材料的XRD圖，可以看出，5種材料在衍射角25o左右處均有明顯的衍射峰，對應石墨結構的（002）晶面，除木質(zhì)炭外，其余碳材料在衍射角43o左右的位置有特征峰，該峰為石墨結構的（100）晶面。5種材料的衍射峰強度普遍偏低，峰形較寬，說(shuō)明它們的物相主要是生物質(zhì)石墨化的無(wú)定形結構碳。

圖3不同碳材料電極的XRD譜圖

X射線(xiàn)能譜儀（EDS）對材料的某部分微觀(guān)區域的元素分析。如表3為5種碳材料在能譜儀掃描下的元素質(zhì)量分數，可看出每種碳材料中除含有碳（C）和氧（O）元素外，還含有微量的金（Au）元素，其中C、O元素為碳材料本身存在的，而Au元素是在樣品制備過(guò)程中噴金處理遺留下的。在5種碳材料中，竹炭的C元素百分比最大，占總量的94.73%，這也是竹炭擁有較高面積比電容的原因之一。表3不同碳材料電極中元素的質(zhì)量分數。

2.3碳電極材料的電化學(xué)性能

圖4a）是對5種碳材料在10 mV/s的掃描速率下進(jìn)行的循環(huán)伏安法測試，從中可以看出，除了木質(zhì)炭為一條重合的直線(xiàn)外，其余4種碳材料的循環(huán)伏安曲線(xiàn)（CV曲線(xiàn)）均是較好的封閉圖形，說(shuō)明這4種材料均有較好的雙電容特性。其中，竹炭的封閉圖形面積明顯比其他碳材料的面積大，表明竹炭的電化學(xué)儲能效果最佳。圖4b）為竹炭在不同掃描速率下的CV曲線(xiàn)，可看出隨著(zhù)掃描速率的增大，封閉面積也隨之增大，并且CV曲線(xiàn)的梭狀逐漸明顯，這是因為掃速增加后限制了離子進(jìn)入電極孔，使得離子的吸附和解吸不能在短時(shí)間內完成。注：a）5種木竹基碳電極在10 mV/s掃描速率下的CV曲線(xiàn)；b）竹基碳電極在不同掃描速率下的CV曲線(xiàn)。

圖4不同碳材料電極的CV曲線(xiàn)

圖5為5種碳材料的GCD曲線(xiàn)和EIS圖譜。樣品在電流密度為10 mA/cm2下的GCD曲線(xiàn)如圖5a）、b）所示，可看出除木質(zhì)炭外的其余4種碳材料的GCD曲線(xiàn)均呈三角形，且竹炭具有較長(cháng)的充放電時(shí)間，表明竹炭具有較好的電荷轉移能力，可觀(guān)察計算得出竹炭的面積比電容為2432 mF/cm2。竹炭?jì)?yōu)異的電化學(xué)性能與其高比表面積和豐富的微孔、介孔的多層級孔隙結構密切相關(guān)。竹炭在5~20 mA/cm2電流密度下的GCD曲線(xiàn)見(jiàn)圖5c），可看出竹炭電極具有較好的倍率性能。而木質(zhì)炭在1 mA/cm2的電流密度下的充放電時(shí)間都很短，其面積比電容僅為0.4 mF/cm2。

注：a)和b)為5種碳電極的GCD曲線(xiàn)；c)為竹炭在不同電流密度下的GCD曲線(xiàn)；d)為5種碳電極的阻抗圖。圖5不同碳材料電極的電化學(xué)性能利用EIS圖進(jìn)一步探究碳材料的儲能機理。

圖5d）為5種碳材料的電化學(xué)阻抗譜，表現出了不同材料的電容特性。電極過(guò)程受電荷傳遞與擴散過(guò)程雙重調控，因此尼奎斯特曲線(xiàn)呈現為高頻區半圓弧段與低頻區傾斜直線(xiàn)段。其中，高頻區半圓弧段直徑作為關(guān)鍵參數，直接反映了電極材料的內阻大小，圓弧開(kāi)始時(shí)對應的x軸的值為離子進(jìn)入電極材料時(shí)的阻值，而直線(xiàn)的斜率表示的是離子的擴散速率?？煽闯鲈诘皖l區，竹炭的尼奎斯特曲線(xiàn)較其他樣品在實(shí)軸上的垂直度表現更為顯著(zhù)，這一特性表明竹炭具有優(yōu)異的離子擴散能力。能夠使電解液中的離子可以更快地到達電極/電解液界面，增加單位時(shí)間內存儲或釋放電荷的數量，提高本身的功率密度。

3結論

1）掃描電鏡、BET吸附測試和X-射線(xiàn)衍射的測試結果表明，在木質(zhì)炭、菊花炭、鋼炭（碳化爐燒）、竹炭和鋼炭（土窯燒）5種材料中竹炭具有層次豐富的微孔、介孔結構和生物質(zhì)石墨化的無(wú)定形結構，為離子的傳輸提供了條件。2）在電流密度為10mA/cm2下，木質(zhì)炭、菊花炭、鋼炭（碳化爐燒）、竹炭和鋼炭（土窯燒）的面積比電容分別為0.4、1133、240、2435和373mF/cm2，表明竹炭具有以面積比電容為代表的最佳電化學(xué)性能，在5種材料中最具發(fā)展潛力。竹材作為一種即將到來(lái)的替代儲能材料，其生物可降解、環(huán)保、具高電子轉移能力的合理結構，使其有望成為木竹基碳電極商業(yè)化的功能和實(shí)用材料。