吳 霞，張立忠，李建輝，趙秀峰

（1.昌吉學(xué)院化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)系，新疆昌吉831100；2.廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，福建廈門361005）

水滑石材料屬于陰離子型層狀化合物，具有的可插層性和層間離子的可交換性，將一些功能性客體物質(zhì)引入層間空隙并將層板距離撐開從而形成層柱化合物[1]。水滑石類化合物因其獨特的結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用在催化、離子交換、吸附等方面[2-3]。同時水滑石及其氧化物具有獨特的微孔結(jié)構(gòu)、金屬離子的同晶可取代性和層間陰離子的可交換性等特點[4-5]，通過將電活性物質(zhì)引入到水滑石層板或?qū)娱g，可以得到一類新型的超級電容器電容材料。由于活性炭的制備原料來源廣泛，廉價易得[6]，同時活性炭具有高比表面積[7]，常用作電極材料。因此本文利用共沉淀法[8]原位合成活性炭復(fù)合鎂鋁水滑石，并測試其電容性能。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

試劑及藥品均為分析純試劑。儀器為XD-2型X-射線衍射儀（北京普析儀器有限責(zé)任公司），以Cu-Kα為輻射源，波長為1.5406，管電壓36 KV，管電流20 mA，掃描角度范圍：5°～90°，步長為 0.02°；電化學(xué)測試裝置采用天津市蘭立科化學(xué)電子高技術(shù)有限公司的LK98BⅡ電化學(xué)工作站，本實驗采用三電極體系，其中工作電極是待測電極，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑絲。以6mol L-1的KOH溶液為電解液，電化學(xué)工作站的電位窗口為-0.7到0.2 V，循環(huán)伏安測試的掃速為10mv s-1。

1.2 實驗步驟

1.2.1 活性炭的預(yù)處理

采取濃硫酸液相活化活性炭，將活性炭浸漬在含有濃硫酸的燒杯中，磁力攪拌并恒溫（90℃）水浴反應(yīng)8h后靜置，抽濾、水洗至中性，置于烘箱中（105℃）干燥4h，待自然冷卻至室溫，將活化活性炭磨細(xì)備用。

1.2.2 共沉淀法制備活性炭復(fù)合水滑石

（1）室溫下，稱取一定量的 Mg（NO3）2·6H2O和Al（NO3）3·9H2O，分別量取 100mL的蒸餾水，配制成硝酸鹽溶液。

（2）同時將上述兩種硝酸鹽溶液和NaOH溶液（1mol/L）分別緩慢滴加到含有活性炭（濃硫酸活化處理）的燒杯中，會有白色懸浮物出現(xiàn)。當(dāng)溶液滴加完后，調(diào)pH約為9.5，繼續(xù)攪拌反應(yīng)4h。反應(yīng)完后，將溶液靜置陳化24h，抽濾、水洗至中性，105℃干燥3h。待自然冷卻至室溫后研細(xì)備用。其中活性炭與鎂鋁水滑石的比例分別為 1∶10、1∶1和 10∶1（質(zhì)量比）。

1.2.3 活性炭復(fù)合水滑石的活化

將上述樣品置于坩堝，放于馬弗爐中煅燒，升溫速率為10℃/min，終溫為300℃，保溫4h，待自然冷卻至室溫，研細(xì)備用。

1.2.4 活性炭-水滑石比例的確定

準(zhǔn)確稱取一定量的上述樣品置于離心管中，滴加2mL的1mol/L的HCl反應(yīng)1h后，離心干燥并準(zhǔn)確稱取剩余樣品的質(zhì)量。

1.3 電化學(xué)性能測試

將鎳網(wǎng)剪成4cm×1.1cm的規(guī)格，分別放入丙酮、稀鹽酸中超聲30min，用蒸餾水洗凈，60℃下烘干備用。按質(zhì)量比為85%∶10%∶5%將電極材料∶乙炔黑∶PTFE混勻，加入適量乙醇攪成漿糊狀，均勻涂覆到處理過的鎳網(wǎng)上，60℃烘干處理后得到測試電極。

2 結(jié)果與討論

2.1 活化后樣品比例的確定

由于在活性炭水滑石復(fù)合樣品的活化處理中，會有部分的活性炭接觸空氣而被氧化成CO2，造成樣品中活性炭和水滑石比例的變化。活性炭作為電活性中心物質(zhì)，對樣品的電容性能會有很大影響，因此確定樣品中活性炭與水滑石的比例至關(guān)重要。樣品中的水滑石為鎂鋁的雙氫氧化物，用HCl處理會溶解，而樣品中的活性炭不會溶解，因此通過計算HCl處理前后樣品的質(zhì)量可以確定樣品中二者的比例。實驗結(jié)果表1所示。

表1 活化后樣品中活性炭水滑石的比例

從表1可以看出，樣品在活化后活性炭的比例都有所減小，說明在活化過程中有部分活性炭接觸空氣從而被氧化，導(dǎo)致氧化前后活性炭與水滑石的比例發(fā)生改變。

2.2 樣品的電化學(xué)測試

圖1為不同比例的樣品的循環(huán)伏安測試圖，從圖1可以看出，三個樣品的循環(huán)伏安曲線均呈現(xiàn)不規(guī)則矩形，樣品的峰面積隨著樣品中活性炭比例的增加而減小，說明活性炭含量越多，樣品的電容越小，其中活性炭∶水滑石為1∶10時，樣品的電容最大；活性炭∶水滑石為10∶1時樣品的峰面積很小，樣品幾乎沒有電容。結(jié)果表明，樣品中水滑石的含量對電容大小影響很大，可能是因為水滑石含量越多，其在活性炭表面分散的相對較多，增大了樣品的比表面積，從而引起電容值增加。

樣品的雙電流階躍計時電位法放電圖如圖2所示。

通過雙電流階躍計時電位法曲線，由公式Cg=IΔt/（mΔV）可計算工作電極的比電容[9]，式中Cg為電極的質(zhì)量比容量（Fg-1）；I為放電電流（A）；Δt為放電時間(s)；m為活性物質(zhì)的質(zhì)量（g）；ΔV為恒流充放電測試電位窗口（V）。三個樣品的恒流充放電曲線均呈現(xiàn)類三角形，表明三個電極材料表現(xiàn)為良好的雙電容行為，但樣品3（活性炭與水滑石的比例為10∶1）的曲線面積較小，說明此樣品的電容量不大。通過上述公式計算的樣品的電容量分別為175.2Fg-1、85.5Fg-1和32.3Fg-1，說明樣品1（活性炭與水滑石的比例為1∶10）具有大的比電容，此實驗結(jié)果與由循環(huán)伏安曲線得到的結(jié)論一致。

2.3 樣品的XRD表征

由于樣品的電化學(xué)測試結(jié)果說明，活性炭∶水滑石=1∶10時，其電容值相對最大，為進(jìn)一步考察其結(jié)構(gòu)，對此樣品進(jìn)行了XRD測試，結(jié)果如圖3所示。

圖3 為樣品的XRD圖譜，其中曲線1為活性炭的圖譜，曲線2為樣品活性炭∶水滑石=1∶10的圖譜。由圖3可知，活性炭在26.3°和46.5°的衍射峰歸屬于活性炭的特征峰，分別對應(yīng)（002）和（004）晶面。曲線2在2θ=11.2°、26.3°、39.8°和 42.1°處均有衍射峰出現(xiàn)，分別對應(yīng)晶面（003）、（006）、（009）和（015），有典型水滑石晶體結(jié)構(gòu)特征衍射峰。但從圖3可以看出樣品除了具有水滑石的特征衍射峰外，還伴有弱的雜質(zhì)峰，此峰歸屬為水軟鋁石（AlOOH）的衍射峰[10]。因此采用原位法制備活性炭復(fù)合鎳鋁水滑石的方法是可行的，但其制備工藝條件還有待進(jìn)一步細(xì)化和完善。

3 結(jié)論

本文采用共沉淀的方法制備了活性炭復(fù)合鎂鋁水滑石材料，考察了水滑石與活性炭的比例對電容性能的影響。利用X射線衍射對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)論如下：

（1）液相共沉淀法制備的活性炭復(fù)合鎂鋁水滑石保留了鎂鋁水滑石的特征峰。

（2）電化學(xué)測試表明，樣品中水滑石的含量越多，樣品的電容值相對越大。

電化學(xué)測試結(jié)果表明，活性炭與鎂鋁水滑石復(fù)合樣品具有一定的電容，但電容值不大，因此今后可引入具有良好電容性能的物質(zhì)作為水滑石的結(jié)構(gòu)框架，如鋰、鎳等。

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