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論文

以物理混合法合成高比表面積之多重孔洞碳材應用於超級電容及電容脫鹽

許鈞翔

國立成功大學 化學系

2019

本研究致力於以簡單製程、環境友善、低成本的方式合成多重孔洞碳材，利用其豐富的孔洞性，提升超級電容及電容脫鹽裝置元件之性能。本次實驗以生物碳(菱殼碳)作為碳源，實驗上以簡單的物理混合法將模板(ZnO、CaCO3、碳酸鋅)與碳源(菱殼碳)混合均勻，透過900℃高溫碳化即得高比表面積孔洞碳材。實驗中不需使用有機溶劑，固態模板與鹼金屬可以鹽酸去除。除此之外，使用奈米等級的氧化鋅當模板時所產生的鋅離子廢液，也能透過酸鹼中和回收再製成奈米模板供再次使用。相較於傳統的氧化矽模板法，此方法不僅不需使用到高毒性的氟化氫，也不用繁瑣的實驗步驟。在量化生產上得以簡化生產流程，同時避免過多的汙染造成環境負擔，達成綠色化學的概念。 以物理混合法合成高比表面積多重孔洞碳材，透過調整模板與碳源比例，其比表面積可達1175~1537 m2 g-1。除此之外，研究結果發現使用氧化鋅作為模板時，可得到中孔比例較高的多孔性碳材；以奈米碳酸鈣為模板時，孔洞性質則多為微孔；另外以回收的明膠-碳酸鋅奈米複合材做為模板時則多為較大的中孔(~30 nm)和大孔。這三種不同的孔洞性質在二極式超級電容方面，以有機電解液1.0 M LiClO4/PC的環境下，皆可以達到130 F g‒1之高比電容值(掃描速率= 5 mV s‒1)。在掃描速率= 500 mV s‒1，碳酸鋅製成的碳材可達到70%保留率，其餘的約為60%。電容脫鹽方面，以氧化鋅為模板做出的碳材其鹽吸附量可高達11.01 mg g-1。研究還發現碳電極的厚度除了會影響吸附量外，也會影響電流效益，增加漏電流。以ANESR公式去計算電阻可發現，兩倍重的碳電極其電阻高達33 Ω。有趣的是，不管以何種金屬氧化物做為模板，所產生之多孔性碳材在電容脫鹽上皆能在10分鐘內達總吸附量90%，這有助於縮短電容脫鹽循環時間，以優化電容脫鹽效益。

多孔洞碳材、超級電容、電容脫鹽、生物碳、Multiporous carbon、Recycling、Supercapacitor、CDI、Green chemistry

https://hdl.handle.net/11296/t992jr