【碳材料】第五章 储能碳材料-超级电容器电极材料
超级电容器电极材料——活性炭
超级电容器电极材料——活性炭碳材料由于具有成本低､⽐表⾯积⼤､孔隙结构可调､制备电极的⼯艺简单等特点,在研究EDLC的开始,⼈们就考虑使⽤碳材料作为其电极材料｡⽬前,应⽤于 EDLC的碳材料主要有活性炭､碳纳⽶管和炭⽓凝胶｡活性炭(activated carbon,AC)是EDLC使⽤最多的⼀种电极材料,它具有原料丰富､价格低廉､成形性好､电化学稳定性⾼､技术成熟等特点｡活性炭的性质直接影响EDLC的性能,其中最为关键的⼏个因素是活性炭的⽐表⾯积､孔径分布､表⾯官能团和电导率等｡⼀般认为活性炭的⽐表⾯积越⼤,其⽐电容就越⾼,所以通常可以通过使⽤⼤⽐表⾯积的活性炭来获得⾼⽐电容｡但实际情况却复杂得多,⼤量研究表明,活性炭的⽐电容与其⽐表⾯积并不呈线性关系,影响因素众多｡实验表明,清洁⽯墨表⾯的双电层⽐容为 20µF/cm2左右,如果⽤⽐表⾯积为2860m2/g的活性炭作为电极材料,则其理论质量⽐容应该为572F/g,然⽽实际测得的⽐容仅为130F/g,说明总⽐表⾯积中仅有22.7%的⽐表⾯积对⽐容有贡献｡国际纯粹与应⽤化学联合会(IUAPC)将多孔材料的孔隙分为微孔( <2nm)､中孔(2～50nm)和⼤孔(>50nm)三类｡EDLC主要靠电解质离⼦进⼊活性炭的孔隙形成双电层来存储电荷,由于电解质离⼦难以进⼊对⽐表⾯积贡献较⼤的､孔径过⼩的超细微孔,这些微孔对应的表⾯积就成为⽆效表⾯积｡所以除了⽐表⾯积外,孔径分布也是⼀个⾮常重要的参数,⽽且不同电解质所要求的最⼩孔径是不⼀样的｡Gsalirta等研究了⼏种不同孔结构的活性炭在LiCl､NaCl和KCl的⽔溶液及 LiBF4和 Et4NBF4的PC溶液中的双电层电容性能后证实了上述结论｡提⾼活性炭的⽐表⾯积利⽤率,进⽽提⾼其⽐容的有效⽅法是增⼤活性炭的中孔含量｡LeeJniwoo等运⽤模板法制备了⽐表⾯积为1257m2/g的中孔碳,其平均孔径为2.3nm,制成电容器后不论在⽔系还是有机电解质中其⽐容都明显⼤于分⼦筛炭｡另外,D.Y.Qu等的研究表明,增⼤中孔的含量,还可以明显提⾼EDLC的功率密度,因为孔径越⼤,电化学吸附速度越快,这说明孔径较⼤的碳材料能满⾜快速充放电的要求,适合制备⾼功率的电容器｡另外,孔径分布对EDLC的低温容量也有影响,具有更多纳⽶以上孔径的碳电极其低温容量减⼩得更慢｡通过电化学氧化､化学氧化､低温等离⼦体氧化或添加表⾯活性剂等⽅式对碳材料进⾏处理,可在其表⾯引⼊有机官能团｡⼤量研究表明,表⾯有机官能团对EDLC的性能有很⼤影响｡⼀⽅⾯,有机官能团可以提⾼电解质对碳材料的润湿性,从⽽提⾼碳材料的⽐表⾯积利⽤率,同时这些官能团在充放电过程中还可以发⽣氧化还原反应,产⽣赝电容,从⽽⼤幅度提⾼碳材料的⽐容｡A.Y.Rychagov的研究证明表⾯官能团的赝电容效应对⽐电容的贡献有时可达50%以上｡另⼀⽅⾯,碳材料表⾯官能团对电容器的性能也存在负⾯影响,研究表明碳材料表⾯官能团含量越⾼,材料的接触电阻越⼤,从⽽导致电容器的ERS也就越⼤;同时,官能团的法拉第副反应还会导致电容器漏电流的增⼤;另外,碳材料电极表⾯含氧量越⾼,电极的⾃然电位越⾼,这会导致电容器在正常⼯作电压下也可能发⽣⽓体析出反应,影响电容器的寿命｡活性炭的电导率是影响EDLC充放电性能的重要因素｡⾸先,由于活性炭微孔孔壁上的碳含量随表⾯积的增⼤⽽减少,所以活性炭的电导率随其表⾯积的增加⽽降低;其次,活性炭材料的电导率与活性炭颗粒之间的接触⾯积密切相关;另外,活性炭颗粒的微孔以及颗粒之间的空隙中浸渍有电解质溶液,所以电解质的电导率､电解质对活性炭的浸润性以及微孔的孔径和孔深等都对电容器的电阻具有重要影响｡总之,活性炭具有原料丰富､价格低廉和⽐表⾯积⾼等特点,是⾮常具有产业化前景的⼀种电极材料｡⽐表⾯积和孔径分布是影响活性炭电化学电容器性能的两个最重要的因素,研制同时具有⾼⽐表⾯积和⾼中孔含量的活性炭是开发兼具⾼能量密度和⾼功率密度电化学电容器的关键｡。
基于碳材料的超级电容器电极材料的研究
背景：
碳材料是一种非金属材料，具有高导电性、高化学稳定性、易于合成等优点。 在超级电容器领域，碳材料已被广泛应用于电极材料的制备。例如，活性炭、碳 纳米管、石墨烯等碳材料具有高比表面积、良好的电化学性能和机械性能，成为 超级电容器电极材料的优选。
研究现状：
目前，碳材料在超级电容器电极材料领域的研究主要集中在提高比电容、改 善循环寿命和降低内阻等方面。然而，仍存在一些问题，如比电容和能量密度有 待进一步提高、成本较高、大规模生产难度大等。
3、制造成本较高：目前，碳材料的制备方法相对复杂，需要使用一些高纯 度原料，导致成本较高。因此，发展低成本、大规模制备碳材料的方法是推动其 应用的关键。
针对以上问题，未来研究可从以下几个方面展开：
1、深入探讨碳材料的物理和化学性质，及其在充放电过程中的反应机制， 为提高比电容和能量密度、循环寿命提供理论指导。
内容2：
尽管碳材料具有诸多优点，但在超级电容器电极材料应用中仍存在一些问题 和不足。例如：
1、比电容和能量密度仍有待提高：尽管碳材料的比表面积较大，但目前超 级电容器的比电容和能量密度仍较低，需要进一步优化碳材料的性能。
2、循环寿命有待提高：碳材料在充放电过程中可能发生结构变化、电化学 反应不稳定性等问题，导致循环寿命较短。因此，提高碳材料的循环寿命是亟待 解决的问题之一。
内容1：
碳材料作为超级电容器电极材料的优势和特点主要体现在以下几个方面：
超级电容器活性炭电极材料研究取得新进展
碳素石 墨材料 ， 它将强度 、 灵活性
和轻质性完美融合 ， 具有优异导 电 导 热 性、 抗高 温 陛、 抗腐蚀性 、 机械 强度高等
特点 ， 被视为 当代新材料 的先导 。 凭借
石墨 与碳素起 家 ， 西格 里在欧 洲、 北美
和亚洲地 区构建 了近 ４ ８ 个生产基地 ， 形
与 阳离子 共轭 聚合 物 的荧光 共振 能量 转移 ， 该 技术有 望用 于结 肠癌 的筛 查和 鉴 别 诊断 。
于 阳离子 共轭 聚合 物 的新型 荧光 共振 能量转 移 技术 ， 分析 了结 肠癌 七种 相关 基 因的ＤＮＡ甲基化水 平。 通过逐步 判别分析和 累积检 测分析 ， 获得 了较高精确度 和 灵 敏 度 的结肠癌 检 测结 果与 鉴别诊 断 结果 。 结合 启 动子 甲基化 变化 的累 积分 析
秉 承“ 碳 素让 城 市 生 活更 美 好 ” 的 理 念， 西格 里集 团进 一 步展示 了其碳 材 料 知识 以及 这种高性 机 固体重点 实验室 的科研 人员在 共轭 聚合物设 计与生 物医药应 用领域 取得
系列 新进展 。
癌症 相 关基 因启 动子 上 甲基 化的变 化是癌 症早期诊 断 的一 种有 潜力 的生物 标记 。 相 比于单 甲基化变 化 ， 积累分 析多个 启动 子 甲基 化水平有 望提 高癌症检 测 的精确 度和 灵敏度 。 他 们与解放 军总 医院第 一附属 医 院的相 关人 员合作 ， 利用 基
超级 电容器 作为 ２ １ 世纪新 型能源 器件越来 越受到 人们 的重 视 。 目前 ， 商业化
化 的转染 剂脂质体 ２ ０ ｏ ０ （ １ ｉ ｐ ｏ ２ ｏ ０ ０ ） 和
聚 乙烯 亚 胺 （ Ｐ ＥＩ ） 相当， 可 用于 基 因 转染 的实 时跟踪与定 位。 最近， 研 究人 员在 美 国化 学会 期 刊 化 学 评论 发表 了综 述 文章 ， 重 点 介 绍 了近 ５ 年来 共轭 聚合 物在 荧光成 像， 疾病诊 断和治疗 领域的重要 进展 ， 并对 该领域 的未 来发展方 向以及存在 的挑 战与机遇进 行了展望 。 （ 中国科学
碳基材料在电容器领域的应用
碳基材料在电容器领域的应用近年来，碳基材料在电容器领域引起了人们的广泛关注。
碳基材料作为一种新型材料，具有良好的导电性、导热性和稳定性等特点，在电容器应用领域有着广泛的应用前景。
本文将对碳基材料在电容器领域的应用进行深入探讨。
一、碳基材料的种类碳基材料是一类以碳为主要成分的材料。
根据其结构和制备方法的不同，碳基材料可以分为多种类型，如石墨烯、碳纳米管、炭黑等。
这些材料在电容器领域的应用也各有优劣。
1. 石墨烯石墨烯是一种由碳原子组成的单层二维晶体材料，具有超高的电导率和导热率，以及高的比表面积和强的机械性能。
这些特性使其成为超级电容器中的理想电极材料。
由于石墨烯的制备工艺比较复杂，其大规模应用仍面临许多技术瓶颈。
但是，石墨烯在电容器领域的潜力已经被广泛认可，未来有望保持高速发展。
2. 碳纳米管碳纳米管是一种由碳原子组成的形态呈现为纳米尺寸管状结构的新型材料，具有优异的电性能、机械性能和化学稳定性，能够广泛用于电容器领域。
碳纳米管电容器具有高比能量和高功率密度，还能承受较高的电流密度和频率，适用于电能储存和供应等领域。
3. 炭黑炭黑是一种无定型碳黑色材料，具有高比表面积、良好的电化学性能和理想的导电性能。
炭黑被广泛应用于可重构电容器和超级电容器等领域，已经成为电容器中广泛使用的电极材料之一。
二、碳基材料在电容器中的应用碳基材料具有良好的导电性、导热性和稳定性等特点，在电容器应用领域有着广泛的应用前景。
1. 超级电容器超级电容器是一种高性能的电容器，它利用电极材料的高比表面积和离子可逆嵌入/脱嵌的能力，实现了高能量密度和高功率密度的电位变换。
碳基材料是超级电容器中常用的电极材料。
石墨烯、碳纳米管和炭黑等碳基材料作为高性能电极材料在超级电容器领域有着广泛的应用。
这些材料的高比表面积和理想的电导率使得电容器具有超高的能量存储密度和能量输出密度。
2. 可重构电容器可重构电容器是利用材料电学参数的可逆性，在电场作用下产生电荷存储和释放的电容器。
超级电容器的材料与制造
超级电容器的材料与制造超级电容器是一种能够快速存储和释放大量电荷的电子元件，具有高能量密度、长循环寿命、快速充放电速度等优点，因此在电子设备、新能源汽车、电力系统等领域有着广泛的应用。
超级电容器的性能主要取决于其材料和制造工艺，下面将介绍超级电容器常用的材料以及制造过程。
一、超级电容器的材料1. 电极材料超级电容器的电极材料是其性能的关键之一。
目前常用的电极材料主要包括活性炭、氧化铅、氧化锰、氧化铁等。
活性炭是最常见的电极材料，具有比表面积大、导电性好的特点，能够提高电容器的能量密度。
氧化铅、氧化锰、氧化铁等材料具有较高的比电容和电导率，能够提高电容器的功率密度。
2. 电解质电解质是超级电容器中起储存电荷和传导电荷的作用的重要组成部分。
常用的电解质包括有机电解质和无机电解质。
有机电解质具有导电性好、稳定性高的特点，但在高温下易发生分解；无机电解质具有耐高温、耐腐蚀的特点，但导电性较差。
选择合适的电解质可以提高超级电容器的性能。
3. 封装材料超级电容器的封装材料需要具有良好的绝缘性能、耐高温性能和耐腐蚀性能，以保护电容器内部元件不受外界环境的影响。
常用的封装材料包括聚酰亚胺、聚丙烯等高分子材料，以及氧化锌、氧化铝等无机材料。
二、超级电容器的制造1. 电极制备电极是超级电容器的核心部件，其制备过程主要包括原料处理、混合、成型、烘干和烧结等步骤。
首先将电极材料进行粉碎、筛分等处理，然后按一定比例混合均匀，加入适量的粘结剂和溶剂，进行成型，最后通过烘干和烧结等工艺得到成品电极。
2. 电解质注入电解质是超级电容器中起储存电荷和传导电荷的作用的重要组成部分。
在制造过程中，需要将电解质注入到电容器的正负极之间，以确保电容器正常工作。
注入电解质的过程需要控制好温度、压力和注入速度等参数，以避免电解质泄漏或不均匀分布。
3. 封装组装封装是超级电容器制造的最后一个环节，其目的是将电容器内部元件封装在外壳中，以保护其不受外界环境的影响。
超级电容器材料
超级电容器材料超级电容器是一种能够储存和释放大量电能的电子元件，它具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命等特点，因此在电力系统、汽车、电子设备等领域有着广泛的应用前景。
而超级电容器的性能取决于其材料的特性，因此研究和开发高性能的超级电容器材料是当前的重要课题之一。
目前，常用的超级电容器材料主要包括活性碳、氧化物、聚合物和碳纳米管等。
活性碳是一种常见的电极材料，具有高比表面积和良好的电导率，能够提供较大的电容量。
氧化物材料如二氧化锰、氧化铁等具有较高的比电容和较好的循环寿命，适合用于超级电容器的正极材料。
聚合物材料具有较高的柔韧性和可塑性，能够制备成薄膜状电极，适合用于柔性超级电容器的制备。
而碳纳米管具有优异的导电性和机械性能，能够制备成复合材料，提高超级电容器的性能。
除了上述常见的超级电容器材料外，近年来也涌现出一些新型材料，如金属有机骨架材料（MOF）、二维材料（如石墨烯）等，这些材料具有特殊的结构和性能，能够为超级电容器的发展带来新的机遇和挑战。
MOF具有高孔隙度和可调控的结构，能够提供更大的比表面积和更多的储能位，有望成为新型的电极材料。
石墨烯具有优异的导电性和机械性能，可以制备成高性能的电极材料，同时也可以作为超级电容器的导电添加剂，提高电极材料的导电性能。
在超级电容器材料的研究和开发过程中，需要考虑材料的制备工艺、结构设计、性能表征等方面的问题。
制备工艺的优化能够提高材料的成品率和性能稳定性，结构设计的合理性能够提高材料的储能效率和循环寿命，性能表征的准确性能够为材料的性能评价提供可靠的依据。
总的来说，超级电容器材料的研究和开发是一个综合性的课题，需要结合材料科学、化学工程、电子工程等多个学科的知识和技术。
随着新材料的涌现和制备工艺的进步，相信超级电容器在能源存储、汽车动力、可穿戴设备等领域的应用将会更加广泛和深入。
超级电容器电极材料
超级电容器电极材料超级电容器作为一种新型的储能设备，具有高功率密度、长循环寿命和快速充放电等优点，因此在电子设备、新能源汽车和可再生能源等领域具有广泛的应用前景。
而超级电容器的性能很大程度上取决于其电极材料，因此研究和开发高性能的电极材料对于提高超级电容器的性能至关重要。
目前，常见的超级电容器电极材料主要包括活性碳、氧化铁、氧化钴、氧化镍等。
活性碳是一种常见的电极材料，具有比表面积大、孔隙结构丰富的特点，能够提供更多的储存空间，但其导电性较差，限制了其在高功率应用中的表现。
氧化铁、氧化钴和氧化镍等金属氧化物具有较高的导电性和储能密度，但循环寿命较短，容量衰减严重，限制了其在实际应用中的发展。
为了克服现有电极材料的局限性，近年来，石墨烯、碳纳米管、金属有机骨架材料等新型材料被广泛应用于超级电容器的电极材料中。
石墨烯具有优异的导电性和比表面积，能够提高超级电容器的电极反应速率和循环寿命；碳纳米管具有高导电性和优异的力学性能，能够增强电极材料的稳定性和耐久性；金属有机骨架材料具有多孔结构和可调控的化学成分，能够提供更多的储能空间和增强电极材料的稳定性。
除了单一材料外，复合材料也成为超级电容器电极材料的研究热点。
将不同种类的材料进行复合，可以充分发挥各自材料的优点，同时弥补其缺陷，从而提高电极材料的整体性能。
例如，将石墨烯与金属氧化物复合，可以兼顾导电性和储能密度；将碳纳米管与金属有机骨架材料复合，可以提高电极材料的稳定性和循环寿命。
总的来说，超级电容器的电极材料需要具有高导电性、大比表面积、丰富的孔隙结构、优异的稳定性和循环寿命等特点。
当前，虽然已经有了一些较为理想的电极材料，但仍然存在一些挑战，如材料制备工艺、性能优化和成本控制等方面需要进一步研究和改进。
相信随着材料科学和能源技术的不断发展，超级电容器的电极材料将会不断涌现出新的突破，为超级电容器的应用提供更多可能性。
碳电极材料
碳电极材料
碳电极材料是一类用于电化学储能和转化应用中的电极材料，具有较高的导电性和化学稳定性。
常见的碳电极材料包括：
1. 石墨：石墨是一种由层状碳原子排列组成的材料。
它具有优异的导电性和化学稳定性，广泛用于锂离子电池等电化学储能系统中。
2. 多孔碳材料：多孔碳材料有很大的比表面积和孔隙结构，可以提供更多的活性表面供电化学反应发生。
例如，活性碳和炭纤维是常用的多孔碳电极材料。
3. 石墨烯：石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料。
它具有极高的导电性和化学活性，可以作为高性能电极材料应用于超级电容器等领域。
4. 碳纳米管：碳纳米管是一种由碳原子形成的管状结构。
它具有高导电性、优异的力学性能和热稳定性，可用于储能器件和催化剂支撑材料等领域。
5. 碳纳米片：碳纳米片是一种由碳原子层层叠加形成的片状结构。
它具有高导电性和化学稳定性，适用于超级电容器和电催化等应用。
这些碳电极材料在电化学储能和转化领域具有广泛应用，能够提供高效、可靠和环保的能源存储和能源转换解决方案。
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在许多场合可以替代传统的蓄电池承担设备驱动所需的电能供应 工作，单体容量最高可达到100000F以上，可以几个到几百个串 并联使用，组件电压从12VDC直到800VDC以上
（2）风力发电
3. 超级电容器的主要构成 电极材料 电解液 集电体 隔膜 封装材料
如何实现？ 采用活性炭和离子溶液作为电介质 两个转变：平板→多孔材料，使比表面积增大 固体介电质→离子型溶液，d大大减小 作为电极的多孔材料中的电荷与吸附在孔壁上的离子
构成双电层，因此也叫双电层电容器。
2. 超级电容器特点及应用领域 2.1 特点
体积小，容量大，电容量比同体积电解电容容 量大30~40倍
涤纶、聚碳酸酯、聚砜、环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂、 纤维素。不稳定，介电常数大（3.0-6.5） （3）离子结构介质
玻璃、云母、陶瓷、钛酸盐，稳定，介电常数可高达102－105
4. 平板电容器的电容
C S 106 , uF 3.6d
d - cm, S - cm2
以离子结构的介电质的最高介电常数计算 105计算，如果面积S为1.0m2，即10000cm2， 平板间距d为0.2mm，即0.02cm，则容量为 4420uF，即0.044F。
5. 电容器的应用 （1）阻绝直流、耦合交流：交直流互变 （2）滤波、调谐：无线电 （3）短暂小容量储能：闪光灯
二、 超级电容器
1. 因何而超级？ Super-capacitor， ultra-capacitor C S 106 , uF 3.6d
d - cm, S - cm2
如果面积S为1000m2，即107cm2，平板间距d为 1.0nm，即10-4cm，则容量为885F，如果电压为1.0V， 以1.0A电流放电，放电时间可达885s，即885As，换算 成电池的容量单位为245mAh。
2. 平板电容器
3. 介电常数及介电质
C0
Q0 U
Q
,
Q0
Q C
U
or C
C0
不同的材料具有不同的介电常数 （1）中性介质：
非极性的有机薄膜材料(如聚四氟乙烯聚苯乙烯、聚乙烯、聚 丙烯等)及某些浸渍材料(如石胳、纯地腊凡士林、电容器法等)。 稳定，介电常数小（1.8-2.6） （2）极性介质：
SEM images of Pt nanoparticles deposited on (a) pristine CNTs with 100 cycles of ALD（atomic layer deposit） and CNTs acidtreated with (b) 100, (c) 200, and (d) 300 cycles of ALD.
• 因为要通入氢气及氧气，必须具有高透气性的功能，在材料的选择上 必须采用多孔透气材料。
• 气体扩散层所处环境同时存在还原介质与气化介质，所以必须具有抗 腐蚀能力。因此选择碳材料作为气体扩散层的主要材料。
• 扮演电流的传导器，因此气体扩散层的导电度必须有一定水准以上。 • 为了确保电池组的温度均匀分布，气体扩散层必须是热的良导体。 • 气体扩散层必须具有足够的抗弯曲强度来抵抗操作压力及热循环稳定
4. 超级电容器电极材料
4.1 活性炭电极材料 （1）生物质活性炭
一种椰壳活性炭的孔结构
（2）超级活性炭
A: KOH活化活性炭， B：商品活性炭
四乙基四氟硼酸铵 聚碳酸酯 乙腈
电极材料的比电容与比表面积呈正比 不同的电解液容量不同
(3)孔结构与比电容的关系
微孔：小于2nm，中孔：2－50nm
充电速度快，10秒内达到额定容量的95% 失效开路，过电压不击穿，安全可靠 超长寿命，可长达40万小时以上
2.2 用途
（1）电动车
启动：可以输出几秒到几十秒的瞬间大电流，承担设备启
动所需要的大功率电能，常用于各类电动汽车和重型机械设备中， 单体容量50F以上，50000F以下，可几个到几百个串联使用， 组件电压从12VDC直到700VDC以上
性。
碳纸
碳布
Electrochimica Acta Volume 52, Issue 12, 10 March 2007, Pages 3965–3975
One is that carbon cloth is more porous and less tortuous than carbon paper. The second is in liquid water coverage on the GDL surface, with carbon cloth being rougher and hence less liquid water coverage than carbon paper.
第五章 储能碳材料第二讲 级电容器 电极材料1一、电容器基础知识
1. 电容器的储电机理
对于任何一个不受外界影响的“孤立”导体 而言，当导体带电时其所带的电量Q与相应的 电位U之比， 是一个和导体所带的电量无关 的量，称为孤立导体的电容，即：
CQ U
地球的电容：700uF
注：1库伦约为6.25×1018个电子的电量
对于硫酸电解质，相对直径较大的孔有利于比容量的增加
（4）模板合成中孔碳
稀硫酸体系
第三讲 燃料电池用碳材料
一. 质子膜燃料电池的基本结构
H2
二. 材料及功能
1. 质子膜： 传导H＋质子并阻止非质子的通过，绝缘，
耐高温（200摄氏度以上），由无机参杂的聚 合物构成。
2. 扩散层：碳纸或碳布
3. 电催化层
以碳黑、碳纳米管、石墨、MCMB、石油焦作为Pt等催化剂的载 体。催化活性主要取决于载体的结构。
i n t e r n a t i o n a l j ournal o f hydrogen energy 3 5 ( 2 0 1 0 ) 1 1 2 4 5 e1 1 2 5 3
Surface and cross-sectional SEM images of the cathode catalyst layer without carbon black additive (a) (b)，with Vulcan XC-72R additive (c) (d)