TWI773410B - 多孔碳材之製法 - Google Patents
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Abstract
本創作提供一種多孔碳材之製法，其利用椰子殼粉末為原料，透過氫氧化鉀及過硫酸銨的活化，藉以摻雜硫元素於多孔碳材以獲得擬電容特性，並兼具高整體比表面積，使多孔碳材具有高電子儲存能力，提升其後應用的超級電容之經濟價值。
Description
本創作係關於一種多孔碳材之製備方法，尤指一種用於超級電容的多孔碳材之製備方法。
隨著工業發展，石化能源的開發及環境汙染的問題日益嚴重，為解決能源危機，各種儲能裝置應運而生。超級電容由於具備優秀的輸出功率及良好的可逆性，近年來業界已投入大量心力進行研究。
超級電容 (supercapacitor)之電極主要分為三大類，分別為碳系材料、金屬氧化物及導電高分子，其中碳系材料因為原料便宜且易於取得，已被廣泛應用於電極材料。
傳統之電雙層電容 (electric double layer capacitor，EDLC)利用電極與電解液中電解質之庫倫靜電力產生電荷分離，進而形成電雙層來儲存電能。EDLC主要選用碳系材料作為電極，其材料可細分為活性碳、碳纖維及奈米碳管。然而，碳纖維及奈米碳管具有製程成本高、不易量產之缺點，而以活性碳為電極之超級電容往往具有較低之電容量，其經濟價值較低。
因應於近年提倡之綠色化學，研究人員轉而利用生物廢棄物為原料，製備環境友善之碳材電極。現今以生物廢棄物為原料之活性碳電極已有相關文獻報導，例如選用咖啡渣作為製作活性碳的原料，但是，以咖啡渣所製得的碳材仍無法改善活性碳電極電容量低之缺陷。
因此，目前仍有待開發新穎的碳材製備方法，找尋具潛力的生物廢棄物原料以開發更具經濟價值的碳材成為本領域研究人員的主力方向。
有鑑於現有技術存在之缺陷，本創作之一目的在於提供其他合適的再生材料，藉以獲得高整體比表面積及硫元素摻雜之多孔碳材，能具備良好的電子儲存能力。
為達成前述目的，本創作提供一種多孔碳材之製法，其包含以下步驟：
步驟(a)：令椰子殼粉末、氫氧化鉀及過硫酸銨進行混合，得到活化混合物，其中，以該椰子殼粉末重量為1重量份，氫氧化鉀 (potassium hydroxide，KOH)為1至5重量份，過硫酸銨 (ammonium persulfate，(NH
4)
2S
2O
8)為1至5重量份；
步驟(b)：於氮氣環境下，將該活化混合物進行碳化反應，得到碳化混合物，其中，該碳化溫度為650°C至800°C；
步驟(c)：乾燥該碳化混合物，得到該多孔碳材。
本創作利用椰子殼粉末為原料，透過氫氧化鉀及過硫酸銨之活化，可摻雜硫元素於多孔碳材以獲得擬電容 (pseudocapacitor)特性；此外，在碳化過程中由於氫氧化鉀與過硫酸銨同時參與反應，能使多孔碳材具有高比表面積，以提升多孔碳材之電子儲存能力。據此，利用本創作製法所製得之多孔碳材不僅具有良好的電子儲存能力，更能具體提升超級電容的經濟價值。
本創作使用椰子殼粉末作為多孔碳材的原料，能符合綠色化學之期待，並將生物界的碳元素回收再利用。
應說明的是，碳化溫度不足將導致多孔碳材之石墨化程度較低，其結構具有較多缺陷，不利於電子儲存。因此，本創作之多孔碳材之製法係以650°C至800°C之溫度條件進行碳化反應。
於其中一種實施態樣，該椰子殼粉末的粒徑為100微米至1000微米。
較佳的，所述步驟(a)以該椰子殼粉末重量為1重量份，氫氧化鉀為3至5重量份。
較佳的，所述步驟(a)以該椰子殼粉末重量為1重量份，過硫酸銨為3至5重量份。
較佳的，所述步驟(b)之碳化溫度為700°C至800°C。
較佳的，所述步驟(b)之碳化時間為30分鐘至2小時。
於其中一種實施態樣，所述步驟(c)包含：冷卻該碳化混合物，以酸液洗滌該碳化混合物，並以水中和至pH值中性，得到經清洗之碳化混合物；再乾燥該經清洗之碳化混合物，得到該多孔碳材。於此，所述酸液之選擇並無特別限制，只要能去除碳化反應後的雜質即可；舉例而言，酸液可以是鹽酸、醋酸。所述乾燥方式並無特別限制，其可以風乾方式進行乾燥，或於60°C至120°C下烘乾。
於本說明書中，「整體比表面積」係由外表面、微孔表面及介孔表面共同組成之整體表面積與單位重量的比值，其中，微孔及介孔係由IUPAC孔洞類型分類所定義，微孔係為孔徑小於2奈米之孔洞、介孔係為孔徑介於2奈米至50奈米之孔洞，外表面為微孔表面及介孔表面以外之其餘所有表面。
於其中一種實施態樣，所述多孔碳材的整體比表面積可以為900平方公尺/克至1600平方公尺/克。於另一種實施態樣，所述多孔碳材的整體比表面積可以為1200平方公尺/克至1600平方公尺/克。
於本說明書中，「微孔比表面積」係由IUPAC孔洞類型分類所定義之微孔的表面積與單位重量的比值。
於其中一種實施態樣，所述多孔碳材的微孔比表面積可以為150平方公尺/克至1200平方公尺/克。
於其中一種實施態樣，所述多孔碳材的微孔比表面積相對於整體比表面積之比例 (簡稱，微孔比表面積比例)可以為12%至65%。
較佳的，所述多孔碳材的碳元素含量為80%至90%。更佳的，所述多孔碳材的碳元素含量為82%至87%。
較佳的，所述多孔碳材的硫元素含量為1%至8%。更佳的，所述多孔碳材的硫元素含量為2%至6%。
於其中一種實施態樣，所述多孔碳材的氮元素含量為2.0%至4.5%。
於其中一種實施態樣，所述多孔碳材的氧元素含量為5%至10%。
依據本創作，利用前述製法所製得之多孔碳材可適用於超級電容中，有別於傳統之電雙層電容，採用本創作之多孔碳材的超級電容於其充放電曲線中具有明顯的變形，呈現非對稱型態，歸因於硫元素摻雜在其中，表現出擬電容特性，使超級電容能具有較高的電容量。
以下，列舉數種實施例說明多孔碳材製備的實施方式，同時提供數種比較例作為對照，所屬技術領域具有通常知識者可藉由下方實施例和比較例的內容輕易理解本創作所能達到的優點及效果。應理解的是，本說明書所列舉的實施例僅用於示範性說明本創作的實施方式，並非用於局限本創作的範圍，所屬技術領域具有通常知識者可以根據其通常知識在不悖離本創作的精神下進行各種修飾、變更，以實施或應用本創作之內容。
《多孔碳材》
實施例
1
至
5
實施例1至5之多孔碳材皆以椰子殼粉末為原料，與不同比例之氫氧化鉀及過硫酸銨混合，並於700°C之溫度條件下進行碳化反應後，製得各實施例之多孔碳材。為方便說明，實施例1至5之多孔碳材的製造流程統一說明如後。
首先，將廢棄椰子殼粉碎，以20目至100目之篩網過篩，得到粒徑為150微米至830微米之椰子殼粉末。接著，秤取10克椰子殼粉末，以椰子殼粉末為1重量份，加入3重量份之氫氧化鉀及1重量份至5重量份之過硫酸銨進行混合、活化，得到活化混合物。
將活化混合物放入管型爐 (廠牌：昭地科技有限公司，型號：NBD-O1200)，在氮氣流量為50 毫升/分鐘的環境下，以10°C/分鐘之升溫速率將管型爐的溫度加熱至700°C，並於該溫度停留1小時進行碳化反應，得到碳化混合物。
待碳化混合物降至室溫後，以1體積莫耳濃度(M)鹽酸洗滌該碳化混合物，並以去離子水清洗、中和至pH值中性，得到一經清洗之碳化混合物；
以100°C乾燥前述經清洗之碳化混合物，即製得各實施例之多孔碳材。
實施例1至5之參數差異主要在於過硫酸銨的添加量，其參數整理如下表1。
比較例
1
至
6
比較例1至6之多孔碳材的製造流程與實施例1至5之多孔碳材的製造流程大致相同，差異僅在於比較例1至6之氫氧化鉀添加量不同，且皆未添加過硫酸銨，相關參數一併整理如下表1。
比較例
7
至
9
比較例7至9之多孔碳材的製造流程與實施例1至5之多孔碳材的製造流程大致相同，差異僅在於碳化溫度為400°C至600°C，相關參數一併整理如下表1。
比較例
10
比較例10之多孔碳材出自於
Waste Management,
2021,
120, 280-289 (以下簡稱文獻1)，有別於前述實施例1至5及比較例1至9之製造流程，比較例10以廢棄咖啡渣為原料，其詳細製造流程說明如後。
首先，秤取45克廢棄咖啡渣，並配製600毫升乙醇水溶液(水與乙醇之體積比為1：1)，將前述咖啡渣及乙醇水溶液加入高壓反應器(廠牌：Berghof，型號：BR3000)，於溫度120°C、壓力50巴 (bar)之環境下，進行前處理30分鐘，得到碳化前驅物。
將1克之碳化前驅物與1.5克之氫氧化鉀混合後，將前述混合物放入管型爐 (型號：Carbolite STF 15)，在氮氣流量為150毫升/分鐘的環境下，以7°C/分鐘之升溫速率將管型爐的溫度加熱至850°C，並於該溫度停留1小時進行碳化反應，得到碳化混合物。
待碳化混合物降至室溫後，以去離子水清洗、中和至pH值中性，即製得比較例10之多孔碳材。
表1：實施例1至5 (E1至E5)及比較例1至9 (C1至C9)之椰子殼粉末添加量、氫氧化鉀添加量、過硫酸銨添加量和碳化反應溫度
| 椰子殼粉末添加量 (重量份) | 氫氧化鉀添加量 (重量份) | 過硫酸銨添加量 (重量份) | 碳化反應溫度 (°C) | |
| E1 | 1 | 3 | 1 | 700 |
| E2 | 1 | 3 | 2 | 700 |
| E3 | 1 | 3 | 3 | 700 |
| E4 | 1 | 3 | 4 | 700 |
| E5 | 1 | 3 | 5 | 700 |
| C1 | 1 | 0 | 0 | 700 |
| C2 | 1 | 1 | 0 | 700 |
| C3 | 1 | 2 | 0 | 700 |
| C4 | 1 | 3 | 0 | 700 |
| C5 | 1 | 4 | 0 | 700 |
| C6 | 1 | 5 | 0 | 700 |
| C7 | 1 | 3 | 3 | 400 |
| C8 | 1 | 3 | 3 | 500 |
| C9 | 1 | 3 | 3 | 600 |
試驗例
1
：表面形貌
以SEM觀察實施例1至5的型態及微觀結構，其結果如圖1A-1至1E-1所示。如圖1A-2至圖1E-2 (對應於圖1A-1至1E-1的放大圖)所示，根據過硫酸銨的添加量增加，多孔碳材之缺陷隨之增加。
試驗例
2
：整體比表面積、微孔比表面積及微孔比表面積比例
本試驗例以實施例1至5及比較例1至6之多孔碳材為待測樣品。首先，將各待測樣品調整至pH值中性，於真空烘箱中乾燥8小時，乾燥溫度為各待測樣品之熱裂解溫度減50°C；隨後，以氣體吸附系統 (型號：ASAP2020)進行分析。其中，氣體吸附系統之參數設定如下：除氣端預設溫度為250°C，升溫速率為10°C/分鐘，持溫時間為2小時，壓力為100毫米汞柱。
本試驗例以BET等溫吸附模式分析，其結果如圖2A、圖2B、圖3A、圖3B所示。
由圖2A及圖2B的結果可觀察到實施例1至5及比較例1至6所呈現出來的吸附等溫曲線係屬於IUPAC的第一類型吸附等溫線，即吸附等溫線在較低的相對壓力下吸附量迅速上升，達到一定相對壓力後吸附呈現飽和。此現象歸因於多孔碳材中含有大量微孔及介孔所造成。
由圖3A及圖3B的結果可觀察到實施例1至5及比較例1至6的孔徑分布主要落在1奈米至10奈米之範圍，根據IUPAC孔洞類型分類，實施例1至5及比較例1至6之多孔碳材含有大量微孔(孔徑小於2奈米)及介孔(孔徑介於2奈米至50奈米)，其結果與圖2A及圖2B之第一類型吸附等溫線之結果相符。
再進一步以BET比表面積測試方式計算後可得實施例1至5及比較例1至6之多孔碳材的整體比表面積、微孔比表面積及微孔比表面積比例，如下表2。
表2：實施例1至5 (E1至E5)及比較例1至6 (C1至C6)之多孔碳材的整體比表面積、微孔比表面積及微孔比例
| 整體比表面積 (平方公尺/克) | 微孔比表面積 (平方公尺/克) | 微孔比例 (%) | |
| E1 | 1587.4 | 1011.3 | 63.7 |
| E2 | 1516.5 | 526.6 | 34.7 |
| E3 | 1412.8 | 284.5 | 20.2 |
| E4 | 1326.4 | 174.5 | 13.2 |
| E5 | 1240.4 | 168.2 | 13.5 |
| C1 | 377.7 | 335.1 | 88.7 |
| C2 | 658.8 | 581.1 | 88.2 |
| C3 | 810.1 | 713.6 | 88.0 |
| C4 | 1601.8 | 1157.9 | 72.3 |
| C5 | 2177.7 | 942.6 | 43.3 |
| C6 | 2730.7 | 320.9 | 11.8 |
如上表2所示，實施例1至5之多孔碳材具有整體比表面積1200平方公尺/克至1600平方公尺/克，有利於電子儲存。相較之下，比較例1至3之多孔碳材之整體比表面積有別於實施例1至5，皆小於1000平方公尺/克。
試驗例
3
：拉曼光譜
(Raman spectroscopy)
本試驗例以實施例3與比較例7至9之多孔碳材為待測樣品，將各待測樣品置於單光儀 (廠牌：Jobin Yvon，型號：Triax 320)之樣品槽，待雷射能量穩定，以波長532奈米之固態雷射激發各待測樣品，並進行分析。其中，單光儀配置有前述激發雷射、光柵 (blazed plane holographic grating，1200線/毫米)、陷波濾光片(532-notch filter)、光譜攝相機 (廠牌：ANDOR，型號：iDus DU401A-F1)及控制軟體(ANDOR Solis)，光譜解析度為波長0.03奈米或波數1 cm
-1。
如圖4所示，實施例3與比較例7至9之多孔碳材在拉曼光譜皆具有二特徵峰，分別為D峰 (位於波數約1350 cm
-1處，對應於石墨結構之缺陷程度)和G峰(位於波數約1595 cm
-1處，對應於石墨之微晶結構)。
藉由分析圖4中D峰與G峰之強度比 (I
D/I
G)，可判斷實施例3與比較例7至9之多孔碳材的石墨化程度之高低，I
D/I
G越低，表示該結構的石墨化程度越高。如圖4之結果，實施例3之多孔碳材的I
D/I
G為0.79，其I
D/I
G遠低於比較例7至9之多孔碳材的I
D/I
G，顯示其石墨化程度最高。反之，實施例7至9之多孔碳材的I
D/I
G皆大於或等於0.90，顯示其結構具有許多缺陷，不利於電子儲存。
試驗例
4
：
X
射線光電子能譜
(X-ray photoelectron spectroscopy
，
XPS)
本試驗例以實施例3之多孔碳材為待測樣品，以X射線光電子能譜儀 (型號：PHI 5000 VersaProbe)進行分析。
圖5A及5B為實施例3之多孔碳材的X射線光電子能譜，其中，該X射線光電子能譜以碳元素作為校正標準。如圖5A所示，其結果證實實施例3之多孔碳材的表面存在硫元素、碳元素、氮元素及氧元素；如圖5B之硫元素2p軌域的X射線光電子能譜圖可知，其四個主要的特徵峰分別位於163.6 電子伏特(eV)、164.8 eV、168.6 eV和169.3 eV。其中，位於163.6 eV之特徵峰對應於碳-硫-碳之共價鍵的2p
3/2軌域；位於164.8 eV之特徵峰對應於碳-硫-碳之共價鍵的2p
1/2軌域；位於168.6 eV及169.3 eV之特徵峰則對應於C-SO
x-C (x=2至4)之不同氧化硫型態。前述結果證實實施例3之多孔碳材確實摻雜硫元素。
另外，本試驗例以XPS分析實施例1至5及比較例7至9之多孔碳材的元素含量比例，其結果如下表3所示。
表3：實施例1至5 (E1至E5)及比較例7至9 (C7至C9)之多孔碳材的碳元素(C)含量、氮元素(N)含量、氧元素(O)含量、硫元素(S)含量
| C(%) | N(%) | O(%) | S(%) | |
| E1 | 84.46 | 4.09 | 9.29 | 2.16 |
| E2 | 83.82 | 4.15 | 9.18 | 2.85 |
| E3 | 84.58 | 3.88 | 6.78 | 4.76 |
| E4 | 85.39 | 4.02 | 5.68 | 4.91 |
| E5 | 84.77 | 2.93 | 5.66 | 5.64 |
| C7 | 72.07 | 3.15 | 9.29 | 15.49 |
| C8 | 71.31 | 4.08 | 16.18 | 8.43 |
| C9 | 79.20 | 4.78 | 11.23 | 4.80 |
如上表3所示，實施例1至5之多孔碳材的碳元素含量為80%至90%，而比較例7至9之多孔碳材的碳元素含量皆低於80%。隨著過硫酸銨的添加量增加，其硫元素含量也隨之增加 (2.16%提升至5.64%)。
綜合試驗例3及4之結果，比較例7至9之多孔碳材的I
D/I
G皆大於或等於0.90，顯示其結構具有許多缺陷，且其碳元素含量皆低於80%，進一步佐證拉曼光譜之結果。由此可知，比較例7至9之多孔碳材的石墨化程度較低，不利於電子儲存。
《電極》
實施例
1A
至
5A
於製備實施例1A至5A之電極時，係分別選用如前述實施例1至5之多孔碳材作為電極活性材料，並經由如下所述之方法，製得各電極。為方便說明，實施例1A至5A之電極的製造流程統一說明如後。
首先，以重量比為85：5：10之條件，混合前述多孔碳材、碳黑和聚偏二氟乙烯 (polyvinylidene fluoride，PVDF)，並將其三者溶於適量
N-甲基吡咯烷酮 (
N-methyl-2-pyrrolidone，NMP)，以得到電極漿液。
接著，將該電極漿液塗佈於1×1 平方公分之鎳網上，於80°C乾燥12小時，即製得實施例1A至5A之電極。其中，該電極所含電極漿液的重量約20毫克。
比較例
2A
至
9A
比較例2A至9A之電極與實施例1A至5A之電極大致相同，僅差別在於，比較例2A至9A選用之電極活性材料為比較例2至9之多孔碳材。
比較例
10A
比較例10A之電極同樣出自於文獻1，選用比較例10之多孔碳材為電極活性材料，並經由如下所述之方法，製得比較例10A之電極。
首先，以重量比為80：15：5之條件，混合前述多孔碳材、碳黑和聚偏二氟乙烯，並將其三者溶於適量
N-甲基吡咯烷酮，以得到電極漿液。
接著，將該電極漿液塗佈於2.5×2.5 平方公分之碳紙 (廠牌：Toray)上，於40°C乾燥12小時，即製得比較例10A之電極。其中，該電極所含電極漿液的重量為1.5毫克至4毫克。
試驗例
5
：電化學特性
下述試驗例5-1至5-4皆以三極法進行電化學特性測試，以飽和甘汞電極(SCE)為參考電極、白金片為對應電極、實施例1A至5A及比較例2A至10A之電極為工作電極，電解液為1M之硫酸鈉 (sodium sulfate，Na
2SO
4)水溶液。
試驗例
5-1
：循環伏安法
(cyclic voltammetry
，
CV)
圖6A以50毫伏特/秒 (mV/s)的掃描速率對實施例1A至5A進行循環伏安法分析。如圖6A所示，實施例3A具有最大的CV曲線面積，顯示其具備較好的電容表現。接著，將實施例3A以10 mV/s、20 mV/s、30 mV/s、40 mV/s及50 mV/s的掃描速率進行循環伏安法分析，其結果如圖6B所示，實施例3由於摻雜硫元素於多孔碳材，其CV曲線非經典的矩形，然而硫元素的摻雜量不多，故CV曲線大致上仍具有矩形的輪廓。
另外，圖6C以50mV/s的掃描速率對實施例3A與比較例7A至9A進行循環伏安法分析。如圖6C所示，比較例7A至9A的CV曲線面積明顯較小，顯示其電容表現較差。
試驗例
5-2
：恆電流充放電測試
(galvanostatic charge-discharge
，
GCD)
圖7以電流密度1 安培/克(A/g)的條件，測試電壓區間為-1.0 V至-0.2 V (相對於SCE)，對實施例3A及5A與比較例4A及7A進行恆電流充放電測試。如圖7所示，實施例3A及5A由於硫元素參與電極中之氧化還原反應，具有擬電容特性，其充放電曲線呈現非對稱型態；比較例4A未摻雜硫元素，其充放電曲線呈現對稱型態。
再進一步計算實施例3A及5A與比較例4A、7A及9A於電流密度1 A/g、2 A/g、4 A/g、6 A/g、8 A/g、10 A/g之電容量，如下表4所示。
從文獻1的試驗結果 (與本試驗例相同之測試條件下)，比較例10A於電流密度1 A/g的條件、測試電壓區間為-1.2 V至0.8 V (相對於SCE)，比較例10A之電容量為84法拉第/克 (F/g)；相較之下，本創作實施例3A於電流密度1 A/g下之電容量為184 F/g。
本創作之製法有別於文獻1，以椰子殼粉末為原料，並於活化階段同時加入氫氧化鉀及過硫酸銨，該製法所製得之多孔碳材具有擬電容特性及高整體比表面積，能具體提升電容量，並有利於應用在超級電容之電極。
表4：實施例3A及5A (E3A及E5A)及比較例4A、7A及9A (C4A、C7A及C9A)於電流密度1 A/g、2 A/g、4 A/g、6 A/g、8 A/g、10 A/g之電容量 (單位：F/g)
| 電流密度 | ||||||
| 1 A/g | 2 A/g | 4 A/g | 6 A/g | 8 A/g | 10 A/g | |
| E3A | 184 | 160.9 | 145.1 | 138.9 | 133.4 | 129.6 |
| E5A | 127.7 | 115.3 | 104.7 | 96.1 | 91.4 | 88.9 |
| C4A | 77 | 61.7 | 54.3 | 50.6 | 46.9 | 44.3 |
| C7A | 11.4 | 9.2 | 7.8 | 6.3 | 5.7 | 5.1 |
| C9A | 66.1 | 52.6 | 47.1 | 43.8 | 42.4 | 42 |
如上表4所示，於電流密度1 A/g下，實施例3A及5A之電容量皆大於120 F/g，而比較例4A、7A及9A之電容量皆小於80 F/g；於電流密度10 A/g下，實施例3A及5A之電容量仍大於80 F/g，其電容量甚至大於比較例4A、7A及9A之電容量的2倍，且所述比較例之電容量皆小於45 F/g。
試驗例
5-3
：循環壽命
圖8為實施例3A及比較例4A於電流密度1 A/g下，進行7000次充放電測試，實施例3A及比較例4A之電容量保持率分別為95.6%及98.7%。如圖8所示，實施例3A於前1000次充放電循環中，電容量的下降幅度較大，其歸因於部分硫元素於充放電過程中的電分解現象導致；比較例4A未摻雜硫元素，故其電容穩定性較高。然而，經過7000次充放電循環，實施例3A之電容量仍大於比較例4A之電容量2倍以上，顯示本創作之製法所製得之多孔碳材具有良好的循環壽命，經過7000次充放電測試後電容量保持率大於95%。
試驗例
5-4
：電化學阻抗頻譜
(electrochemistry impedance spectroscopy
，
EIS)
本試驗例以實施例3A及5A與比較例4A及7A為待測樣品，利用交流阻抗分析儀 (廠牌：Metrohm Autolab，型號：PGSTAT128N)進行分析。
如圖10所示，實施例3A及5A與比較例4A及7A在低頻區域，阻抗曲線越近似垂直線，表示其越近似於純電容的特性；在高頻下的截距，代表等效串聯電阻 (ESR)，其包含電解液的離子移動阻抗、電荷轉移阻抗及離子移動之質傳阻抗，該曲線的半圓直徑越小，表示其電荷轉移阻抗越小，另外，如圖9所示，所述實施例及比較例於高頻區皆無半圓狀曲線，顯示電荷能於電極及電解液快速移動。經計算後，實施例3A及5A與比較例4A及7A的ESR分別為1.4Ω、1.8Ω、1.85Ω、2.1Ω，其中，實施例3A之ESR最低，歸因於其石墨化程度高且整體比表面積高。
綜上所述，本創作提供之多孔碳材之製法能有利於再生利用椰子殼粉末，透過氫氧化鉀及過硫酸銨活化椰子殼粉末，能提升所製得之多孔碳材之電子儲存能力，具體提升多孔碳材應用於超級電容的經濟價值。
無。
圖1A-1至圖1E-1依序為實施例1至5之多孔碳材的掃描式電子顯微鏡 (scanning electron microscope，SEM)圖。
圖1A-2至圖1E-2依序為圖1A-1至圖1E-1的局部放大圖。
圖2A為實施例1至5之氮氣等溫吸附/脫附曲線圖。
圖2B為比較例1至6之氮氣等溫吸附/脫附曲線圖。
圖3A為實施例1至5之孔徑分布圖。
圖3B為比較例1至6之孔徑分布圖。
圖4為實施例3與比較例7至9之拉曼光譜。
圖5A為實施例3之X射線光電子能譜。
圖5B為實施例3之硫元素2p軌域之X射線光電子能譜。
圖6A為實施例1A至5A以掃描速率為50毫伏特/秒進行循環伏安法的結果。
圖6B為實施例3A以不同掃描速率測試之循環伏安法結果。
圖6C為實施例3A與比較例7A至9A以掃描速率為50毫伏特/秒進行循環伏安法的結果。
圖7為實施例3A及5A與比較例4A及7A以電流密度為1安培/克的條件進行的充放電測試結果。
圖8為實施例3A與比較例4A以電流密度為1安培/克的條件進行循環壽命的測試結果。
圖9為實施例3A及5A與比較例4A及7A之電化學阻抗頻譜。
圖10為圖9之局部放大圖。
無。
Claims (8)
- 一種多孔碳材之製法，其包含以下步驟：步驟(a)：令椰子殼粉末、氫氧化鉀及過硫酸銨進行混合，得到活化混合物，其中，以該椰子殼粉末重量為1重量份，氫氧化鉀為1至5重量份，過硫酸銨為1至5重量份；步驟(b)：於氮氣環境下，將該活化混合物進行碳化反應，得到碳化混合物，其中，該碳化溫度為650℃至800℃；步驟(c)：乾燥該碳化混合物，得到該多孔碳材；其中該多孔碳材的整體比表面積為900平方公尺/克至1600平方公尺/克，其中該整體比表面積係為該多孔碳材的外表面比表面積、該多孔碳材中孔徑小於2奈米的微孔的比表面積以及該多孔碳材中孔徑為2奈米至50奈米的介孔的比表面積之總和。
- 如請求項1所述之多孔碳材之製法，其中步驟(a)以該椰子粉末重量為1重量份，氫氧化鉀為3至5重量份。
- 如請求項1所述之多孔碳材之製法，其中步驟(a)以該椰子粉末重量為1重量份，過硫酸銨為3至5重量份。
- 如請求項1所述之多孔碳材之製法，其中步驟(a)之椰子殼粉末的粒徑為100微米至1000微米。
- 如請求項1所述之多孔碳材之製法，其中步驟(b)之碳化時間為30分鐘至2小時。
- 如請求項1所述之多孔碳材之製法，其中該多孔碳材的碳元素含量為80%至90%。
- 如請求項1所述之多孔碳材之製法，其中該多孔碳材的硫元素含量為1%至8%。
- 如請求項1至7中任一項所述之多孔碳材之製法，其中該多孔碳材的微孔比表面積相對於整體比表面積之比例為12%至65%，該微孔比表面積係為該多孔碳材中孔徑小於2奈米的微孔的比表面積。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015066816A1 (en) * | 2013-11-07 | 2015-05-14 | B.W. Bioenergy Inc. | Generation of high quality birch-based activated carbons for adsorption of heavy metals and pah from water |
| JP2016531068A (ja) * | 2013-07-26 | 2016-10-06 | コーニング インコーポレイテッド | Ｃｏ２活性化ココナッツ炭を含有する高電圧ｅｄｌｃ電極 |
| CN111916735A (zh) * | 2019-05-09 | 2020-11-10 | 贝特瑞新材料集团股份有限公司 | 一种无定形碳材料及其制备方法和锂离子电池 |
-
2021
- 2021-06-29 TW TW110123817A patent/TWI773410B/zh active
Patent Citations (3)
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| TW202300453A (zh) | 2023-01-01 |
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