原子力显微镜案例分享 | 变废为宝—由废碳材料制得超级电容器微电极

科研人员发现由废碳与聚苯胺（PANI）高分子合成得到的复合材料可以作为很好的超级电容器电极材料。而且在纳米量级对这种材料的结构以及电学特性的表征结果也进一步印证了其优秀的电化学性能。

以导电高分子作为电极材料是超级电容器以及其他能量存储应用的非常有前景的发展方向。而如果可以提高导电高分子材料制备方法的稳定性和可持续性，例如循环利用废弃的碳材料，其应用将变得更加引人瞩目。

由来自葡萄牙和韩国的研究人员组成的团队正是利用了取自厨房烤箱的废碳（WCP）制得了碳纳米颗粒，并结合导电高分子聚苯胺（PANI），通过一种简单且低成本的湿法化学手段合成了复合材料（Pa/WC）。

研究人员通过AFM对这种复合材料的结构以及纳米电学特性进行了表征，并结合X射线能量色散谱（EDS）的成分分析等其他多种分析手段。其中，他们通过改变WCP的含量以及聚合作用的时间长短制得了一些列样品，并利用牛津仪器AFM高分辨率的特性对它们进行对比。除此以外，AFM的纳米电学表征结果也表明这种复合材料具有独特的电荷俘获效应等多种优势；这使得由这种复合材料制得的电极具有高电荷存储、高倍率性能以及很好的循环稳定性等卓越的电化学性能。

研究结果表明这一制备手段是一种可循环利用的绿色方法，可以通过低成本、可持续的材料制得高性能的能量存储体系。

Instrument used

MFP 3D Origin

X-Max 150 Silicon Drift Detector (EDS)

Techniques used

研究人员利用牛津仪器MFP-3D型号AFM，以轻敲模式对制得的纳米颗粒进行形貌表征，并进一步进行了粗糙度分析，还通过相位成像对纳米颗粒的分散程度进行了检测。除此以外，他们还通过静电力显微镜（EFM）和开尔文扫描探针显微镜（SKPM）分别对样品的局部充电效应以及表面电势差进行了分析。以上测得的实验数据充分体现了MFP-3D系列原子力显微镜的高性能和其多功能性。研究人员还使用了搭载在场发射扫描电镜（FE-SEM）上的牛津仪器纳米分析部门的X-Max 150硅漂移探测器对碳纳米颗粒准确地进行了元素分析。

参考文献: 

S. Goswami, G. Dillip, S. Nandy et al., Biowaste-derived carbon black applied to polyaniline-based high-performance supercapacitor microelectrodes: Sustainable materials for renewable energy applications. Electrochim. Acta 316, 202 (2019). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.05.133

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