高性能活性炭电极材料在双电层电容器中的应用

以椰壳为原料，ZnCl2为活化剂，用同步物理-化学活化法制备活性炭。所得的炭样品用氮吸附法表征，并根据77K时的吸附-脱附等温线计算了它们的比表面和孔结构参数。用恒流充放电和循环伏安法研究了由活性炭电极与KOH电解质构成的双电层电容器的性能。结果显示，在5mA时放电，活性炭比电容最高达到360F／g：在大电流50mA时，比容量仍超过200F／g。同时分析研究了炭材料比表面积和孔径对电化学性能的影响，发现比表面积与比电容关联性不明显；而孔径大小对炭材料的比电容影响很大。在小电流放电时，中孔炭表面对比电容的贡献明显大于微孔炭表面；随着放电电流的增加，由中孔炭表面构成的双电层电容下降显著，而微孔炭表面的双电层电容下降幅度较小。在大电流放电时，孔径在1．5nm-2nm的较大微孔对储存电能起主要作用。     

中间相沥青的调制对纳米级微孔超高表面积活性炭性能的影响

以中间相沥青为原料，采用KOH活化制取了超高表面积活性炭，其比表面积高达3464m^2/g，总孔容积高达2．14m^3/g，碘吸附值为3094mg／g，苯吸附值为1610mg／g．所制活性炭富含发达的微孔，其孔径主要集中在1～4nm范围内，具有优异的吸附性能．研究了中间相沥青调制对纳米级微孔超高表面积活性炭性能的影响，结果表明，制备中间相沥青所用原料的净化处理是制备超高表面积活性炭的关键，以1～2℃／min升至400℃并保温2～3h所得中间相沥青制取的活性炭具有极高的吸附性能，中间相沥青炭物料的碳质微晶结构对超高表面积活性炭制取起着决定性作用。     

KOH活化法制备汉麻秆活性炭及其微孔结构的研究

采用生物质材料制备比表面积大、微孔结构发达的活性炭,对于缓解资源紧缺、拓展活性炭在气相吸附和双电层电容器等方面的应用具有重大意义。以汉麻秆为原料、KOH为活化剂制备活性炭,通过正交试验探讨碱炭比、活化温度、活化时间对活性炭得率和碘吸附值的影响;采用场电镜、孔径分析仪对样品的微孔结构进行分析。结果表明,影响活性炭得率和碘吸附值的最显著因素分别为碱炭比和活化温度,在碱炭比4∶1、活化温度900℃、活化时间为0.5h的条件下,活性炭得率为72%、碘吸附值为2 047mg/g,比表面积为1 924.08m2/g,总孔容为1.01cm3/g,平均孔径为2.1nm;该活性炭的微孔结构发达(微孔率为81.19%),孔径分布较窄,同时存在超微孔和极微孔,且极微孔含量很高。     

炭前驱体对活性炭孔结构和电化学性能的影响

分别以毛竹和石油焦为炭前驱体,采用KOH活化法制备超级电容器用高比表面积活性炭材料,考察了碱/炭比对不同炭前驱体所制得的活性炭的孔结构、吸附性能和电容性能的影响。结果表明,在相同的碱/炭比下,竹基活性炭孔径2nm的微孔较发达,而石油焦基活性炭孔径在2～50nm的中孔率较高。在适宜的工艺条件下,以毛竹为炭前驱体可制得比表面积为2610.7m2/g,比电容为206F/g的活性炭材料;以石油焦为炭前驱体可制得比表面积为2597.9m2/g,比电容为213F/g的活性炭材料。     

生物质活性炭的微结构调控及其储氢性能研究

以生物质玉米芯为原料,采用氢氧化钾活化的方法制备了一系列具有高比表面积的活性炭。制备的样品通过热重和氮气吸脱附进行表征,并对样品进行了储氢性能测试。结果表明,碱碳比和活化温度对活性炭的比表面积和总孔容有很大影响,并且随碱碳比和活化温度的升高,活性炭中的微孔比例逐渐减小。储氢测试结果表明,碱碳比为4,活化温度为850℃时,样品的储氢性能最好(-196℃、0.1 MPa下为3.21%,4.0 MPa下为5.80%)。分析活性炭储氢量与微孔孔容的关系可知,吸附氢气最有效孔径随气体压力的变化而变化。0.1 MPa下,孔径为1.5~2nm的孔最有利于氢气吸附,而更高压力下(4.0 MPa),孔径为0.85~1.5nm的孔型更有利于氢气吸附。     

活性炭对扑热息痛的吸附行为和体外释放性能

主要研究了药用颗粒活性炭对扑热息痛的吸附行为和体外释放性能。采用N2吸附表征了三种活性炭的孔结构，借助Beohm滴定法和质量滴定法测定了活性炭的表面含氧官能团和零电荷点pHPZC；考察了比表面积、孔隙结构与吸附性能和体外释放性能的关系，及活性炭表面化学性质对吸附性能的影响。结果表明：活性炭的孔结构和表面化学性质对吸附性能和体外释放性能具有决定性的影响。比表面积高、孔隙发达、孔径分布集中在2nm-11m,之间的中孔型活性炭，对扑热息痛的吸附力很强，平衡吸附量达到了358mg／g，累计释放率为7％；具有广谱孔径分布的活性炭，平衡吸附量为281mg／g，可以缓释12h以上，累计释放率达到27％。活性炭表面的酸性含氧官能团对吸附扑热息痛具有一定的促进作用。三种活性炭的释药过程均符合Higuchi方程释药模式。     

活性炭的孔结构与其电容特性的关系研究

采用传统工艺制备了超级电容器用高比表面积微孔炭,利于氮气吸附、循环伏安和恒流充放电研究了样品的孔结构和电容特性.结果表明,试验研制的微孔炭的比表面积达到2496m2/g,大孔径微孔含量很高,在5mA/cm2的电流密度下,活性炭的比容达到307F/g,而且具有良好的功率特性.超级电容器用活性炭的比容主要来自微孔比表面积的贡献,中孔对比容的贡献很小,其作用主要是改善功率特性.为了获得高比容和高功率密度,活性炭应该具有尽可能多的大孔径微孔和适量的小孔径中孔.     

碱炭比及活化温度对稻壳活性炭极微孔的影响

采用N₂吸附、CO₂吸附和热重红外联用等技术手段, 考察了在KOH活化稻壳炭的过程中碱炭比和活化温度对活性炭极微孔的影响。结果表明: 在不同碱炭比(0.6︰1~3︰1)和活化温度(640~780℃)下制备的稻壳活性炭, 极微孔主要分布在0.42~0.70 nm。当碱炭比增加时, 极微孔孔容先增大后减小; 而当活化温度升高时, 极微孔孔容呈降低趋势。极微孔率随碱炭比或活化温度的升高而单调递减。在活化温度为640℃、碱炭比为1: 1时, 可得极微孔孔容为0.149 mL/g、极微孔率达36.3%的微孔活性炭。活性炭的极微孔孔容与其在10⁴ Pa时的CO₂吸附量高度线性相关。     

用顶空色谱法测定固体颗粒的孔结构

用顶空色谱法测定了活性炭对有毒蒸气的吸附等温线，并计算了比表面积、微孔容积及其孔径分布等，本文就其基本原理，实验方法及误差来源等进行了论述。     

高温热处理对活性炭纤维微孔及表面性能的影响

研究了1173K高温改性处理对沥青基活性炭纤维吸附性能、孔径分布、微孔结构和表面化学的影响。低温(77K)N2吸附结果表明热处理后活性炭纤维比表面积略有下降，通过密度函数理论解析活性炭纤维全孔范围的孔分布得出活性炭纤维表面孔径大于1．0nm的微孔明显减少，微孔孔径更加集中于0．5nm～1．0nm，从而提高了活性炭纤维的碘吸附值。X射线衍射分析表明活性炭纤维是乱层石墨结构，热处理使活性炭纤维类石墨微晶碳层面的层间距下降，X光电子能谱分析表明热处理后活性炭纤维表面的含氧官能团C=O和COOH的含量变化不大，而呈碱性酚羟基C—OH含量的明显下降使活性炭纤维表面碱性降低。     

NaOH活化法中碱炭比对孔结构和电化学性能的影响

采用沥青焦为原料,以NaOH化学活化法制备出不同碱炭比(R)系列活性炭.用氮气吸附和脱附等温线计算出BET比表面积、DFT孔径分布及孔容,并且通过直流循环充放电、循环伏安等表征方法研究了其电化学性能.实验结果表明,R值对活性炭的BET比表面积、DFT孔径分布及孔容有良好的调控作用:当R=5时,其最大BET比表面积为1089m2/g,孔容达0.53cm3/g,当R=3时,其孔径分布在1.0-2.0nm百分比达36.2%;其直流循环充放电曲线较好,循环伏安曲线也近似矩形,表明具有良好双电子层电容器电极材料特性,在3mol/L的KOH电解液体系中,最大质量比电容、体积比电容、单位面积比电容分别达202F/g、143F/cm3、32.9μF/cm2;在1mol/L(C2H5)4NBF4/Propylene Carbonate(PC)电解液体系中,最大质量比电容、体积比电容、单位面积比电容分别达149F/g、107.3F/cm3、20μF/cm2.对KOH和(C2H5)4NBF4/PC电解质吸附的最佳孔径分别为1.3nm,1.5nm左右.     

预炭化对KOH活化石油焦的结构及电容性能的影响

以不同温度炭化的石油焦为原料、KOH为活化剂制备电化学电容器用炭电极材料. 采用XRD、TEM和N₂吸附法对前驱体及活化产物的结构进行了表征, 并考察了样品的电化学性能. 结果表明: 通过调整前驱体的预炭化温度, 可实现对石油焦基活性炭的微晶结构和孔结构的调控, 分别制得无晶体特性的高比表面积活性炭和由大量类石墨微晶构成的低比表面积活性炭. 低表面积活性炭依靠充电过程中电解质离子嵌入类石墨微晶层间而实现能量存储, 具有比高比面积活性炭高10倍的面积比电容和更大的体积比电容.     

高比表面积PAN-ACF的吸附与孔结构解析

以KOH为活化剂制备了比表面积大于2000m^2/g的高比表面积PAN基活性炭毡（ACF）,以液氦为吸附介质在77．4K测试PAN－ACF吸附等温线,并对其孔结构进行了表征。采用BET法计算比表面积,t-plot法,Horvath-Kawazoe,Dubinin-Radushkevich方程以及密度函数理论（DFT0表征孔结构。研究表明即使比表面积超过3000m^2/g时,PAN－ACF的孔分布仍然很窄,并且含有大量的分子筛型孔,以金子克美等人提出多段吸附机理为依据,采用DR方程对PAN－ACF三段吸附过程所对应的E^0,x进行了计算。结果认为低压段的负偏离在一定程度上是由于吸附较强的微孔与表面官能团共同作用的结果,并非完全由于活化扩散引起,以上分析方法的表征结果具有较好的一致性,为PAN－ACF的吸附性能与孔结构提供了准确的信息。     

聚苯乙烯基球形活性炭的制备及其对二苯并噻吩的吸附性能

通过水蒸气活化法制备了聚苯乙烯基球形活性炭,并研究了其对二苯并噻吩(DBT)的吸附性能.采用扫描电镜(SEM)、N2吸附、热重分析(TG)以及液相吸附试验考察了球形活性炭的结构特征.结果表明:以苯乙烯离子交换树脂为原料,通过水蒸气活化法,可以得到比表面积979m2/g～1672m2/g的球形活性炭.其中,BET比表面积和孔容随活化时间和水蒸气流量的增加而增大,而孔径小于0.7 nm的窄微孔却减小.球形活性炭对DBT的吸附量可达109.36mg/g,吸附量与比表面积和总孔容关系不大,而与小于0.7nm的窄微孔成正比.球形活性炭在对DBT的吸附过程中存在不可逆吸附.球形活性炭所含窄微孔的孔容越大,脱附所需要的温度越高,不可逆吸附量越大.     

不同结构活性炭对甲苯的吸附性能

考察了不同结构的活性炭样品对高浓度和低浓度甲苯蒸汽的吸附行为,采用低温(77 K)氮气吸附和129Xe-核磁共振方法对所用活性炭的结构进行了表征.并将活性炭对甲苯的吸附性能与其结构进行了关联.结果表明孔容积大的活性炭对高浓度甲苯蒸汽吸附容量大,而具有丰富微孔和较小平均孔径的活性炭对低浓度(2×10-5)甲苯蒸汽具有高的吸附容量.沥青基活性炭纤维对低浓度(2×10-5)甲苯蒸汽表现出较好的吸附能力.随着比表面积的增大,活性炭纤维对低浓度(2×10-5)甲苯蒸汽的吸附容量略有增加.OG5A,OG10A,OG15A和OG20A在30 ℃下对2×10-5甲苯蒸汽的饱和吸附容量分别为202 mg/g,219 mg/g,221 mg/g和235 mg/g.     

原料粒度对石油焦基活性炭性能的影响

以不同粒度范围的石油焦为原料,KOH为活化剂,采用化学活化工艺制备了超级电容器用活性炭电极材料.采用N2吸附法表征了活性炭材料的BET比表面积及孔结构;在1mol/L的Et4NBF4/AN有机电解液体系下组装成模拟电容器,并考察了活性炭材料的电化学性能.结果表明:随着原料粒度的减小,活性炭的振实密度和收率先增大,然后再减小.原料粒度范围越窄,活性炭具有越小的BET比表面积和孔容.在1mol/L的Et4NBF4/AN电解液体系下,随着石油焦粒度的不断减小,活性炭材料的质量比容量不断增大,在粒度<38μm时取得最大值140F/g.粒度为38～44μm的石油焦制备出的活性炭在1A/g电流下质量比容量为126.6F/g,在20A/g电流下质量比容量为116.2F/g,容量衰减只有8.2%,表现出良好的功率特性.     

活性泡沫炭用于超级电容器电极材料

以酚醛树脂、煤沥青泡沫炭为原料,经水蒸气活化制得比表面积分别为961和953m2/g的活性泡沫炭。采用扫描电镜、BET吸附仪、恒流充放电法和循环伏安法对两种活性泡沫炭的结构进行了表征并研究其充放电性能。结果表明,酚醛树脂泡沫炭在1.0nm以下的孔较煤沥青泡沫炭丰富。在1.0mA充放电时,两者的充放电容量分别为106.28和105.1F/g,相差不大,当充放电电流增大到50mA时,前者容量为41.94F/g,后者为17.23F/g。可见,微孔的孔径分布对充放电性能具有很大影响,增大微孔的孔径有利于提高活性炭电极的充放电容量和功率。循环伏安法测试表明在100mV/min扫描速率下酚醛树脂泡沫炭粉的电化学窗口大于煤沥青泡沫炭粉。     

活性碳纳米管的制备及其结构的研究

采用KOH对催化裂解法制备的碳纳米管进行活化处理，以提高碳纳米管的比表面积，并调整孔结构。研究了活化温度和碱用量对活化碳纳米管的收率、比表面积、晶体结构、微观形貌和孔结构的影响。实验结果表明，通过KOH活化能有效地提高碳纳米管的比表面积，调整孔隙结构。随活化温度升高，活化碳纳米管的收率逐渐降低，比表面积和孔容则逐渐提高。通过活化，碳纳米管的内孔得到释放，有大量的微孔、中孔结构形成。增大碱用量时，收率降低，而比表面积和微孔孔容增加，在比值为7：1时比表面积达到最大值。通过研究发现，制备高比表面积碳纳米管的优化工艺条件为：KOH／CNTs的质量比为7：1，活化温度为900℃。此条件下所得碳纳米管的比表面积为360．1m^2／g，比未活化碳纳米管的比表面积(24．5m^2/g）提高了14倍。     

Porous carbons

Carbon in dense as well as porous solid form is used in a variety of applications. Activated porous carbons are made through pyrolysis and activation of carbonaceous natural as well as synthetic precursors. Pyrolysed woods replicate the structure of original wood but as such possess very low surface areas and poor adsorption capacities. On activation, these exhibit increased adsorption volumes of 0.5-0.8 cm³/gm and surface areas of 700–1800 m²/gm depending on activation conditions, whether physical or chemical. Former carbons possess mixed pore size distribution while chemically activated carbons predominantly possess micropores. Thus, these carbons can be used for adsorption of wide distributions of molecules from gas to liquid. The molecular adsorption within the pores is due to single layer or multilayer molecule deposition at the pore walls and hence results in different types of adsorption isotherm. On the other hand, activated carbon fibres with controlled microporous structure and surface area in the range of 2500 m²/gm can be developed by controlled pyrolysis and physical activation of amorphous carbon fibres. Active carbon fibres with unmatchable pore structure and surface characteristics are present and futuristic porous materials for a number of applications from pollution control to energy storage.     

用稻壳制备亚甲基蓝高吸附容量的超高比表面积活性炭

活性炭因具有高比表面积和丰富的孔结构而被广泛应用于吸附水处理中的污染物。稻壳具有独特的组成和微观结构, 是制备活性炭的优质碳源。以稻壳为原料, 利用过饱和KOH溶液的预活化和活化双重作用, 在不同温度下制备出超高比表面积活性炭。随着活化温度的升高, 活性炭的比表面积和总孔容逐渐增大。900 ℃下制得的活性炭具有超高比表面积, 达到3600 m²/g, 总孔容为3.164 cm³/g, 明显优于商用活性炭(YP-80, 比表面积为1310 m²/g, 总孔容为0.816 cm³/g)。具有最高比表面积的稻壳活性炭对亚甲基蓝的最大吸附量达到983 mg/g, 几乎是YP-80 (525 mg/g)的两倍。通过吸附动力学拟合, 吸附亚甲基蓝的过程与拟二级动力学模型一致, 表明该过程为化学吸附。