活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭多金属氧酸盐纳米银混合电极

　　混合材料领域和电化学领域之间的交叉领域是一个快速扩展的领域。混合组合通常由两种成分组成，但更复杂、更通用的电活性混合设计的新途径正在迅速出现。目前工作的目的是探索集成多金属氧酸盐、银纳米颗粒和活性炭的新型三重混合材料，并展示其作为对称超级电容器中的混合电极的用途。

　　活性炭作为基质的碳材料，近几十年来，活性炭作为低成本电极材料在电化学储能和转换装置(主要是超级电容器)中的使用受到了特别关注、锂和钠离子电池和燃料电池。除其他方面外，导电性通常对于活性炭作为电极材料的适用性和性能起着至关重要的作用。

　　在此，多金属氧酸盐簇、纳米银和活性炭材料通过纳米工程结合成单一实体。制备新型三组分纳米杂化材料的策略是将活性炭和多金属氧酸盐保护的纳米银离子结合起来，使用绿色方法预合成，其中多金属氧酸盐既充当还原剂又充当稳定剂代理人。首先，通过研究反应物浓度和所选多金属氧酸盐的氧化还原电位对形成的纳米颗粒尺寸的影响，优化了银纳米颗粒的合成。然后，银纳米颗粒三组分纳米杂化物已制备并充分表征。最后，测试了纳米混合材料的电化学性能。

　　多金属氧酸盐纳米银粒子的合成及形态表征

　　金属盐的还原可以使用先前还原的多金属氧酸盐进行，其中多金属氧酸盐既充当还原剂又充当稳定剂。多金属氧酸盐的还原可以通过光化学、化学或电化学来完成。其中，电化学方法代表了一种绿色、简便且可扩展的方法。在简化的视图中，银纳米颗粒的合成可以使用以下方程式进行勾画(如图1a所示)。

　　图1：(a)多金属氧酸盐纳米银的合成示意图，其中多金属氧酸盐同时充当还原剂和稳定剂，(b)三组分多金属氧酸盐纳米银杂化材料的制备过程。不在规模上，多金属氧酸盐的大小为1nm，纳米银的大小约为27-43nm，具体取决于初始试剂浓度。

　　多金属氧酸盐纳米银在活性炭上的物理吸附

　　多金属氧酸盐纳米银被纳入活性炭中以创建三组分纳米杂化材料。使用物理吸附方法将预制纳米粒子掺入活性炭中，通过剧烈搅拌悬浮液将预制纳米颗粒沉积在活性炭上。在进行后续表征之前，将样品离心并用纯水洗涤。图2显示了代表性SEM图像，其中多金属氧酸盐纳米银均匀分布在活性炭基底上。然而，SEM尺寸分布数据表明，与游离多金属氧酸盐纳米银粒子相比，它们倾向于聚集到平均尺寸45.83纳米。活性炭上的这种聚集现象可能归因于与支持物缺乏强相互作用。

　　图2：具有1微米比例尺的SEM图像显示纳米粒子在活性炭上的均匀分布(a)以及通过对活性炭混合纳米杂化材料的SEM直方图进行高斯拟合获​​得的尺寸分布(b)。

　　混合电极的电化学性能

　　通过评估电化学性能，初步测试了活性炭复合材料作为混合电极的潜在应用。为此，通过将浸泡在1M/H2SO4电解质中的隔膜夹在两个相同的电极(活性炭或混合材料)之间来组装对称电池。图3a显示了活性炭和混合材料在20mV/s恒定扫描速率下的循环极化(CP)曲线。由于双电层电容(EDLC)的影响，交流对称电池的CP曲线形状为矩形。另一方面，活性炭混合电极观察到准矩形CP曲线NPs对称细胞，具有源自纳米银的各种氧化还原波，与矩形(电容)包络重叠。这种CP结构表明法拉第和EDLC两种电荷存储机制的共存。值得注意的是，随着循环次数的增加，观察到的银波变得更小并且变得难以察觉，这表明存在一定程度的不稳定，正如对游离多金属氧酸盐纳米银所观察到的那样。白银波浪的减少之间存在相关性(图3a)在前几个周期内，根据CP面积计算出的比电容有所增加(图3b)。这可以通过氧化银薄层与银的比电容差异来解释。尽管如此活性炭混合电极的比电容略高于裸活性炭电极，活性炭的比电容为75F/g，活性炭混合电极在20次循环后达到81F/g。该结果表明，混合材料具有电活性，并且在对称超级电容器配置中超过了一定程度的交流电。活性炭和混合电极电池的比电容随着电流密度的增加而降低。对于活性炭混合材料在扫描速率为2mV/s时最高值为83.5F/g，在扫描速率为50mV/s时进一步下降至77.5F/g。高扫描速率下比电容的降低归因于电解质离子的低扩散。由于时间限制，高倍率充放电过程中电解液中的离子运动始终受到扩散限制，仅利用外层活性表面进行电荷存储。减慢扫描速率可以让电解质更彻底地渗透到孔隙中，并与电极材料的内表面有更多的接触，从而导致电极表面存储更多的电荷(更大的电容)。

　　图3：(a)使用1M/H2SO4电解质并以20mV/s收集的对称纽扣电池中电极的CV曲线，箭头表示CV循环数的增加。(b)比电容随CV循环次数的变化。

　　活性炭多金属氧酸盐纳米银混合电极，采用特殊方法制备了均匀且尺寸可控的银纳米颗粒，其中多金属氧酸盐既充当还原剂又充当稳定剂。通过改变银浓度和多金属氧酸盐的氧化还原电位来控制颗粒的尺寸和均匀性。使用简便的方法成功制备了新型三元活性炭纳米杂化物。使用这种纳米复合材料作为混合电极，其电化学性能表明该材料具有电活性，并且在对称超级电容器配置中表现出比裸交流电极稍高的性能。我们的结果证明了三组分纳米杂化材料的电化学性能在电化学应用中具有广阔的前景。

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