摘要:生物質(zhì)衍生炭具有結(jié)構(gòu)多樣性、物理/化學(xué)性質(zhì)可調(diào)、環(huán)境友好和經(jīng)濟(jì)價(jià)值可觀等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容器儲(chǔ)能領(lǐng)域.介紹生物質(zhì)衍生炭材料的制備方法及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(例如零維球形、一維纖維、二維層狀和三維空間結(jié)構(gòu))在超級(jí)電容器方面的最新研究進(jìn)展;提出生物質(zhì)衍生炭開發(fā)的新趨勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)，以期進(jìn)一步合理地設(shè)計(jì)生物質(zhì)衍生炭材料的微觀結(jié)構(gòu)并用于超級(jí)電容器.

　　關(guān)鍵詞:生物質(zhì)衍生炭;超級(jí)電容器;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　隨著太陽能、風(fēng)能、潮汐能等環(huán)境友好型可再生能源的快速發(fā)展及人們對(duì)移動(dòng)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車等能源消費(fèi)產(chǎn)品的需求，高功率能量存儲(chǔ)裝置的開發(fā)變得越來越重要[1].其中，超級(jí)電容器是目前比較有應(yīng)用前景的儲(chǔ)能裝置.由于超級(jí)電容器的性能主要取決于所應(yīng)用的電極材料[2-5]，因此，高性能電極材料應(yīng)具有制備工藝簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、資源豐富、成本低等特點(diǎn).在眾多儲(chǔ)能材料中，生物質(zhì)衍生炭因具有豐富的微觀形態(tài)、可調(diào)節(jié)的孔結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的導(dǎo)電性、易于改性的表面化學(xué)性質(zhì)前驅(qū)體資源豐富等特點(diǎn)引起了人們的濃厚興趣[6-8].

　　重要的是，自然界通常賦予生物質(zhì)各種微觀結(jié)構(gòu)，可以被用于制備具有特定結(jié)構(gòu)(零維球形結(jié)構(gòu)[9-10]、一維線性結(jié)構(gòu)[11-12]、二維層狀結(jié)構(gòu)[13-14]和三維空間骨架結(jié)構(gòu)[15-17])的衍生炭材料.一方面，許多生物質(zhì)衍生炭材料繼承了生物質(zhì)本身的天然多孔或分層結(jié)構(gòu)，或者具有由活化產(chǎn)生的孔，可以促進(jìn)電解質(zhì)滲透并縮短離子擴(kuò)散距離[18-19];另一方面，在生物質(zhì)熱解過程中可以形成包括空位、邊緣和雜原子的缺陷.而大多數(shù)天然生物質(zhì)材料含有氮、硫和其他元素，可以作為雜原子摻雜，導(dǎo)致增加電導(dǎo)率和額外的活性位點(diǎn)[20].

　　更重要的是，大量的生物質(zhì)材料從日常或農(nóng)業(yè)廢棄物中回收，使得電極材料的制造成本低且環(huán)境友好.在這篇綜述中，簡(jiǎn)要總結(jié)了生物質(zhì)衍生炭材料的設(shè)計(jì)研究進(jìn)展，主要包括生物質(zhì)衍生炭的制備方法及其結(jié)構(gòu)多樣性在超級(jí)電容器領(lǐng)域的應(yīng)用.此外，還提出了生物質(zhì)衍生炭材料發(fā)展的新趨勢(shì).

　　1生物質(zhì)衍生炭材料的制備方法

　　1.1炭化

　　熱解被認(rèn)為是合成生物質(zhì)衍生炭材料最直接的方式.在惰性氣體(N2，Ar等)氣氛下，通過高溫?zé)峤馓幚砩�物質(zhì)前驅(qū)體，除去其中的易揮發(fā)物質(zhì)(H2O，CO2，CO以及一些有機(jī)物)，剩余固體的主要組分即是生物質(zhì)衍生炭材料.

　　多數(shù)生物質(zhì)中包含纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，在惰性氣氛保護(hù)下對(duì)其進(jìn)行煅燒，處于不同溫度范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生不同的化學(xué)變化:當(dāng)溫度小于100℃時(shí)，首先被除去的是生物質(zhì)中的水分;溫度在220～315℃范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生半纖維素降解;當(dāng)溫度處于315～400℃時(shí)，將進(jìn)入纖維素?zé)峤怆A段;當(dāng)熱解溫度超過400℃后，木質(zhì)素將發(fā)生熱解，最后得到的主要組分即是炭[21].熱解炭化具有工藝簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn).但利用此法制備的生物質(zhì)衍生炭一般比表面積較低且孔結(jié)構(gòu)較差，嚴(yán)重限制了其在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用.

　　1.2活化

　　通過活化(包括物理活化和化學(xué)活化)的方法可以進(jìn)一步增加比表面積，同時(shí)調(diào)整優(yōu)化孔結(jié)構(gòu).其中，物理活化技術(shù)主要是利用炭化后的炭材料，通過空氣、二氧化炭(CO2)、蒸汽或它們的混合氣，在600～1200℃范圍內(nèi)活化得到炭[22].但該方法所需的轉(zhuǎn)化溫度較高、活化時(shí)間較長(zhǎng)且對(duì)炭的蝕刻程度較低.與物理活化相比，化學(xué)活化則不需要那么高的轉(zhuǎn)化溫度和漫長(zhǎng)的活化時(shí)間，且利用該方法制備的生物質(zhì)衍生炭具有更高的比表面積且孔徑分布廣泛.此過程是將炭化后的生物質(zhì)與一些活化劑(如ZnCl2，KOH，KHCO3，NaOH，H3PO4，H2SO4等)以不同比例混合，然后在300～950℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行化學(xué)活化.

　　例如，Zhu等[23]以松針為炭源，通過炭化和KOH活化，制備出具有超高比表面積(高達(dá)2433m2/g)的微孔炭骨架.雖然經(jīng)過炭化后活化兩步工藝可以獲得高比表面積、豐富孔結(jié)構(gòu)的炭材料，但該方法也增加了材料制備時(shí)間.因此，科研人員還開發(fā)了一步炭化、活化法，即將生物質(zhì)直接與活化劑混合，然后同時(shí)進(jìn)行炭化、活化.

　　例如，范壯軍課題組分別以香蒲[24]、柳絮[25-26]、細(xì)菌纖維素[27]、大豆[28]、木耳[29-30]和小麥粉[31]等生物質(zhì)為前驅(qū)體，通過一步炭化、活化制備了一系列生物質(zhì)衍生炭.除上述方法外，針對(duì)一些內(nèi)部含有無機(jī)鹽的特殊生物質(zhì)(如牛骨粉[32]、茄子[33]、纖維素[34]、死葉[35]等)，還可以采取原位自活化的方法制備衍生炭.

　　1.3水熱炭化

　　還有一種強(qiáng)有力的方法，稱為水熱炭化(HTC)技術(shù)，該方法由Bergius在1913年首次報(bào)道，主要用于將纖維素轉(zhuǎn)化為煤材料[36]，并由Berl和Schmidt[37]進(jìn)一步發(fā)展.最近，生物質(zhì)前驅(qū)體的HTC，包括桉樹木屑[38]，真菌[30，39]，松果[40]，煙草桿[41]和甘蔗渣[42]，已被廣泛探索用于在相對(duì)較低的反應(yīng)溫度(180～250℃)下制備炭材料，具有簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、無污染[43]等特點(diǎn).更重要的是，HTC技術(shù)還被廣泛用于制備炭微球.

　　2生物質(zhì)衍生炭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用

　　在自然界中，生物質(zhì)材料通常在宏觀結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出相當(dāng)廣泛的多樣性.生物質(zhì)衍生的炭材料也可以遺傳或進(jìn)化出特殊的微觀結(jié)構(gòu)，如球形、纖維狀、片狀、管狀、棒狀等，可以廣泛應(yīng)用于各種儲(chǔ)能領(lǐng)域.

　　2.1零維結(jié)構(gòu)生物質(zhì)衍生炭超級(jí)電容器電極材料

　　眾所周知，以糖類(蔗糖和葡萄糖)為炭源，通過水熱法可以獲得表面光滑的炭球[44-48].除了糖之外，Yan等[10]報(bào)道了以富含N的燕麥片為炭源，同樣通過水熱的方法輔以炭化過程制備出了炭球結(jié)構(gòu)，其表現(xiàn)為直徑2μm的光滑炭球.

　　雖然不同文獻(xiàn)報(bào)道的生物質(zhì)衍生炭球的大小不同，但總體表現(xiàn)為從200～400nm到1～2μm的范圍.但Gaddam等[9]通過火焰沉積法從椰子油中獲得了粒徑為40～50nm的小炭球，同樣表現(xiàn)為致密的結(jié)構(gòu)，比表面積僅為56m2/g.由此我們發(fā)現(xiàn)，通過水熱法直接合成的大多數(shù)糖基炭球是實(shí)心球形結(jié)構(gòu)，不利于電解質(zhì)離子在電極材料內(nèi)的傳輸和擴(kuò)散.因此，多孔和空心炭球已經(jīng)受到廣泛關(guān)注[49-52].

　　Duan等[53]通過熱解來自海鮮廢物(蟹和蝦殼)的殼質(zhì)制備出N摻雜的炭微球，該炭微球由納米纖維纏繞組成，形成相互交聯(lián)的納米纖維框架結(jié)構(gòu).這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使該材料表現(xiàn)出了特殊的性能，如出色的彈性、可壓縮性和可恢復(fù)性.并且，炭球內(nèi)還形成了相互交聯(lián)的多孔結(jié)構(gòu)，使其具有更高的比表面積(1141m2/g)，可以提供良好的電荷存儲(chǔ)空間、離子和電子傳輸通道.

　　結(jié)果表明，將其組裝為超級(jí)電容器時(shí)在300W/kg的功率密度下可表現(xiàn)出58.7Wh/kg的能量密度.Gao等[54]以發(fā)酵的大米為原料，合成了具有更高比表面積(2106m2/g)和高孔隙率(1.14cm3/g)的N摻雜多孔炭球(N—CS).炭球內(nèi)的高度多孔松散網(wǎng)絡(luò)歸因于ZnCl2的化學(xué)活化，可以改善電解質(zhì)離子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)性能.經(jīng)電化學(xué)測(cè)試，其在0.2A/g電流密度下比容量可達(dá)398F/g.

　　另一方面，除了在炭球中引入孔隙，一些研究人員使用生物質(zhì)作為炭源，結(jié)合可移除模板來設(shè)計(jì)具有薄炭殼的內(nèi)部中空炭球.獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)可通過在炭球內(nèi)提供高表面積和短擴(kuò)散距離來促進(jìn)傳質(zhì).Falco等[55]分別采用衍生自云杉和玉米芯的半纖維素水解產(chǎn)物來包覆二氧化硅納米粒子，然后除去模板以獲得空心炭球.

　　兩種衍生炭的比表面積分別達(dá)到2220和2300m2/g，對(duì)其進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試，比容量達(dá)261和291F/g，基于比表面積計(jì)算云杉和玉米芯的面積比容量分別為11.8和12.7mF/cm2.除了引入額外的模板以外，一些生物質(zhì)材料本身也可以作為生成空心炭球的模板.

　　例如，具有核/殼結(jié)構(gòu)的孢子就是天然的空心炭源.Jin等[56]使用各種孢子(石松草、靈芝和多穗石松孢子)作為炭前驅(qū)體和自模板，采用高溫炭化和活化處理制備出一系列多孔空心炭球.豐富且易于獲得的孢子炭源可以用于大量制備空心炭球，得到的電極材料幾乎完美地繼承了孢子獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)，具有超高比表面積(3053m2/g)和分層多孔結(jié)構(gòu).

　　對(duì)其進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試顯示，這3種空心炭都表現(xiàn)出較高的比容量、功率密度和能量密度.另外，Wei等[57]報(bào)道了一種生態(tài)友好型策略，用于制備三維相互交聯(lián)的炭納米環(huán)(TDICN)，這種炭納米環(huán)來自廢棄的甘薯莖和葉.在棒狀莖和葉子的熱解過程中，木質(zhì)素、纖維素和半纖維素被脫水和解聚以形成大量含氧有機(jī)化合物，隨后在它們之間交聯(lián)聚合或熱分解，這個(gè)過程通常伴隨著水或氣體的釋放，產(chǎn)生了三維互連結(jié)構(gòu).這樣的特殊結(jié)構(gòu)使該材料的比表面積高達(dá)3115m2/g，并且在1M硫酸電解液體系下該材料表現(xiàn)出532.5F/g的高比容量.

　　簡(jiǎn)而言之，連接良好的中空炭結(jié)構(gòu)不僅確保了有效和連續(xù)的電子傳輸，而且還提供了大量的電極/電解質(zhì)接觸面積，從而提供了大量的電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)的活性位點(diǎn).除了直接應(yīng)用炭電極材料外，為了獲得更高的比容量還可以在一維炭球上復(fù)合贗電容材料以提高生物質(zhì)衍生炭的比容量.如Zhao等[47]，以炭球?yàn)榛�底、高錳酸鉀為錳源，通過水熱制備出二氧化錳包覆的炭微球，在2mV/s的掃描速率下比容量高達(dá)252F/g，遠(yuǎn)高于純炭球.

　　2.2一維結(jié)構(gòu)生物質(zhì)衍生炭超級(jí)電容器電極材料

　　除了上述零維結(jié)構(gòu)生物質(zhì)衍生炭超級(jí)電容器電極材料外，一維炭材料炭纖維(CFs)以其優(yōu)異的導(dǎo)電性、高比表面積、良好的柔韌性和高抗拉強(qiáng)度，同樣引起了研究者極大的關(guān)注[11].由于生物質(zhì)中通常含有木質(zhì)素和纖維素，在自然界中，纖維結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)材料更是隨處可見，如亞麻[58]、苧麻[59-60]、莖皮[61]、蓮莢[62]、細(xì)菌纖維素[12，27，63-66]等等.

　　眾所周知，靜電紡絲是一種強(qiáng)大而簡(jiǎn)單的纖維生產(chǎn)技術(shù)[67].因此，一些研究學(xué)者以木質(zhì)素為原料，采用靜電紡絲法獲得生物質(zhì)炭纖維[68-69].在靜電紡絲后，木質(zhì)素亞微纖維在各種條件下炭化，以產(chǎn)生具有不同連接性和孔隙率的炭亞微纖維.

　　為了增加炭纖維的孔隙率和表面積，可在炭纖維中引入多孔結(jié)構(gòu).如Li等[70]通過熱解電紡的海藻酸鹽納米纖維，成功制備出N摻雜多孔炭納米纖維.通過去除鈷納米顆粒，可在海藻酸鈷納米纖維中構(gòu)筑蛋殼結(jié)構(gòu)并在表面產(chǎn)生大量的10～40nm的中孔.將其用于超級(jí)電容器電極材料比容量可達(dá)200F/g.所制備的N摻雜多孔炭納米纖維表現(xiàn)出高表面積、分層孔結(jié)構(gòu)、三維相互交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、適當(dāng)?shù)牡獡诫s和良好的石墨化結(jié)構(gòu)，不僅可以降低電子傳輸阻力，而且還增加了電活性表面積，同時(shí)降低了離子擴(kuò)散和傳輸阻力.

　　2.3二維結(jié)構(gòu)生物質(zhì)衍生炭超級(jí)電容器電極材料

　　因原子厚度，二維(2D)結(jié)構(gòu)炭材料通常具有高縱橫比、優(yōu)異的導(dǎo)電性、高比表面積和良好的機(jī)械性能，這使得它們成為儲(chǔ)能的理想候選材料之一.眾所周知，石墨烯是一種典型的2D材料，由于其高的理論比表面積、優(yōu)異導(dǎo)電性，作為電極材料引起了極大的關(guān)注.

　　然而，大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯材料，工藝復(fù)雜、成本高且不夠綠色環(huán)保，限制了大規(guī)模應(yīng)用.另外，在電極制造過程中，更傾向于重新堆疊或聚集，也極大妨礙了進(jìn)一步應(yīng)用.令人驚嘆的是，一些研究人員利用生物質(zhì)(淀粉[82]、麥秸[14，83]、大麻[84]、椰子殼[85]、柚子皮[86])作為炭源成功制備了類石墨烯片層材料.例如，Li等[25]結(jié)合熱解和活化工藝，開發(fā)出N，S共摻雜的類石墨烯生物質(zhì)衍生炭，在6MKOH電解液體系下比容量高達(dá)298F/g.并且，由其組裝的對(duì)稱電容器在經(jīng)過10000次循環(huán)后比容量保持率接近100%，在180W/kg功率密度下能量密度可達(dá)21Wh/kg.

　　3總結(jié)與展望

　　由于資源豐富、環(huán)境友好和可調(diào)節(jié)的物理/化學(xué)性質(zhì)，生物質(zhì)衍生炭被認(rèn)為是用于能量?jī)?chǔ)存裝置的下一代電極材料.重要的是，現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更迫切需要可持續(xù)生物質(zhì)能源，其中最重要的原因是緩慢石油資源緊張.因此，我們應(yīng)該大力提倡使用廢物和豐富的生物質(zhì)作為炭源，而不是昂貴和稀有的生物質(zhì)，甚至食物.此外，具有適當(dāng)結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)的生物質(zhì)衍生炭材料的設(shè)計(jì)對(duì)于其在儲(chǔ)能裝置中的應(yīng)用非常重要.盡管目前生物質(zhì)衍生的炭材料在超級(jí)電容器領(lǐng)域已經(jīng)有了一些突破性進(jìn)展，但仍存在一些限制和挑戰(zhàn):

　　1)應(yīng)合理調(diào)節(jié)和控制生物質(zhì)炭材料的結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì).表面積通常源自化學(xué)活化方法，出現(xiàn)大量微孔.這些微孔不利于電解質(zhì)離子的擴(kuò)散和傳輸，導(dǎo)致功率特性差.此外，當(dāng)過度追求大表面積時(shí)，炭材料的孔結(jié)構(gòu)可能會(huì)崩潰，離子和電子傳輸困難;2)目前，由于良好的電子傳導(dǎo)性和大的比表面積，生物質(zhì)衍生炭材料可用作負(fù)載高贗電容材料，作為超級(jí)電容器電極材料的支撐骨架.但是，如何解決界面組合問題尤為重要;3)有必要將生物炭材料的生產(chǎn)規(guī)模從目前的實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)大到真正的工業(yè)應(yīng)用.

　　同時(shí)，應(yīng)深入研究簡(jiǎn)單、綠色的制備工藝，以獲得低成本、環(huán)境友好的高性能生物質(zhì)衍生炭電極材料.此外，生物炭材料在鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池、燃料電池、電催化、生物醫(yī)學(xué)、傳感器等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，越來越多的研究人員正致力于探索生物質(zhì)儲(chǔ)能材料.我們堅(jiān)信，下一代生物質(zhì)衍生炭材料將帶來更加令人興奮的結(jié)果.

　　電容器論文范文：變電站電容器防擊穿改進(jìn)設(shè)計(jì)

　　摘要:電力電容器是變電站的重要核心組成元件之一，承擔(dān)著電力系統(tǒng)無功調(diào)節(jié)的重要作用，電力電容器能否正常運(yùn)行會(huì)影響電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性以及整個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。在實(shí)際的運(yùn)行過程中，經(jīng)常會(huì)受多種因素影響發(fā)生電容器被擊穿損壞事故。文章主要就電力電容器運(yùn)行過程中發(fā)生擊穿后如何改行進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)討論了電力電容器改進(jìn)運(yùn)行的原理和方案以及改造效果。