具有多级孔道结构的高比表面多孔炭活化策略及VOCs吸附性能

以废弃榛壳为前体,采用不同活化策略制备多孔炭,探究活化策略和活化温度对多孔炭挥发性有机化合物（VOCs）吸附性能的影响,以及多孔炭的结构、表面性质与VOCs吸附性能的构效关系。结果表明,H₃PO₄法制备的多孔炭介孔体积大,且炭结构缺陷较少,吸附位点较少; KOH法获得的微孔体积较大,孔径集中在0.5~0.7nm的微孔,不利于VOCs分子吸附位点的有效利用。H₃PO₄-KOH分步法在850℃下制备具有高比表面积,孔径集中在0.5~1nm的宽微介孔分布,且炭结构高度无序并含有丰富缺陷位的多孔炭,为VOCs吸附提供了充足的吸附位点并提高了吸附位点了利用率,相比于H₃PO₄与KOH活化法制备的多孔炭的VOCs饱和吸附量显著提升,特别是对于弱极性VOCs。另外,H₃PO₄-KOH分步法制备的多孔炭表面官能团含量较低,极性较低,对非极性VOCs的吸附量远大于极性VOCs。因此,H₃PO₄-KOH分步活化策略是制备具有高比表面积、高VOCs吸附性能多孔炭的最优策略与方案。     

生物质前体多孔碳材料的致孔机理研究

以生物质百香果皮为碳前体,选择了 H₃PO₄、KOH 和 ZnCl₂为活化致孔剂制备了几种多孔碳。研究结果表明,不同试剂活化得到的多孔碳具有不同的孔结构和比表面积。N₂吸附脱附数据表明,用 H₃PO₄、KOH和 ZnCl₂活化分别得到介孔、微孔和微介孔等不同孔结构的多孔碳,推测的致孔机理表明,热处理过程中活化剂与前体发生不同的作用机制,从而导致样品产生不同孔结构。该研究提供了一种简单易行的可控制备生物质多孔碳的方法,同时也为生物质废弃物的再利用提供了技术路线。     

盐酸预处理对浒苔基活性炭电化学性能的影响

传统工艺制备的活性炭微孔足够,但中孔、大孔含量缺乏,导致其用作超级电容器电极材料时电化学性能水平较低。为解决这一问题,采用盐酸对炭化前浒苔原料进行预处理。酸处理去除了原料中大部分的杂质金属,其中,海藻酸钙与盐酸发生化学反应形成了蛋壳初始孔,酸溶性碱金属离子与盐酸发生置换反应形成了无规则初始孔隙,明显增加了活性炭的中孔含量。实验结果表明：盐酸预处理后的活性炭比表面积明显增加,由2273m²/g增至3166m²/g,孔容由2.10cm³/g增至3.82cm³/g,中孔率显著提高,改善了孔结构的连通性,促进了电解质离子在材料内部的扩散;当电流密度为0.1A/g时,经过酸洗处理的活性炭比电容高达359F/g,比原样活性炭比电容的293F/g增长了23%,超级电容器等效串联电阻很小,表现出良好的电化学性能。     

植物基活性炭孔隙调控研究进展

植物基活性炭具有原料来源广泛、价格低廉、制备时间短、工艺成熟、所得产品比表面积大、孔隙结构发达、杂元素含量低、热稳定性和化学稳定性优良等特点,在环保领域的使用量逐年上升。本文系统介绍了植物原料热解过程中三大组分(纤维素、半纤维素和木质素)对所制得的炭化料及活化料孔隙结构的影响,对比总结了制备植物基活性炭常用的物理活化法、化学活化法(KOH活化法、H₃PO₄活化法和ZnCl₂活化法)、催化活化法和热解自活化过程中成孔反应机理以及形成的孔结构特点,指出研究工作中存在的问题,并提出了植物基活性炭孔隙调控未来的研究方向。     

一种生物炭基柔性固态超级电容器的制备及性能研究

利用固体农业废弃物玉米秸秆作为原料,经高温煅烧,KOH刻蚀获得具有较大比表面积的多孔生物炭材料,并采用粉末X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱(Raman)以及比表面积和孔径分析仪(BET)等表征手段,研究其物理、化学结构和微观形貌。结果表明,所制备的生物炭材料具有发达的“微孔-中孔-大孔”三维贯通多级孔道结构,比表面积高达1228 m2·g^-1。将其作为电极材料,与H₂SO₄/PVA凝胶电解质可组装成为具有柔性的全固态超级电容器。利用循环伏安测试(CV)、恒电流充放电(GCD)以及交流阻抗测试(EIS)对柔性超级电容器电化学性能进行了测试。在电流密度为1.0 A·g^-1的条件下,其比容量可达125 F·g^-1。该器件具有良好的机械柔性和电化学稳定性,将其从0°弯曲至180°的过程中,比电容保持率约为93.5%;以不同弯曲角度将其连续弯折100次后,仍能保持较高的比电容。此外,在弯折角度180°、充放电电流密度为5.0 A·g^-1 的条件下经过500次循环充放电后,比电容值保持率约为95.6%,库仑效率约为94.9%。说明所制备的柔性超级电容器具有优异的充放电性能和长效循环稳定性。作为一种柔性、质轻、便携的储能装置,在可穿戴电子器件领域内具有潜在应用价值。同时该方法也为固体农业废弃物玉米秸秆的高附加值转化利用和新型绿色能源器件创新研制提供了新的技术途径。     

含杂原子多孔炭的制备及其超级电容性能北大核心

电极材料的比表面积、孔道结构及孔径分布、杂原子等都是影响超级电容性能的重要因素。本研究以间氨基苯酚为原料,与甲醛反应制备聚苯并噁嗪微球(APFs),经KOH活化处理并高温炭化后,得到能够用于超级电容器的含杂原子多孔炭。采用SEM、BET、XRD和XPS等对样品的形貌、比表面积、石墨化程度和表面官能团进行测定,并借助循环伏安法、恒电流充放电测试法和交流阻抗法对样品的电化学性能进行探究。结果表明,所制备的CAPFs-700-2材料具有丰富的孔道结构,且比表面积高达3188 m^(2)/g。此外,CAPFs-700-2表现出优异的超级电容性能,在电流密度为0.5 A/g时其比电容达到228 F/g,在5000次循环后其比电容保持率仍为90.2%,表现出良好的倍率性能和循环稳定性。     

椰壳基超级电容活性炭的制备及其电化学性能研究

以椰壳炭化料为原料,KOH为活化剂,在不同工艺条件下制备了超级电容器用活性炭电极材料。考察了碱炭比、活化温度和活化时间对活性炭孔隙结构及其用作电极材料的比电容的影响。结果表明,在KOH与椰壳炭化料质量比为4:1,活化温度800℃,活化时间60 min的条件下,可制得比表面积2891 m²/g,总孔容积1.488 cm³/g,中孔率73.6%,比电容达235 F/g的优质活性炭电极材料。     

基于TiO2溶胶杂化的分子筛炭膜制备及其结构与性能

以聚酰亚胺为前体,TiO₂溶胶为掺杂剂,经成膜和炭化制得杂化炭膜。采用热失重、电子显微镜、X-射线衍射、红外光谱和渗透法对前体的热性能、炭膜的微观形貌、微结构、表面官能团和气体分离性进行了表征。考察了TiO₂溶胶用量、渗透温度和渗透压力对炭膜的结构与性能影响。结果显示,掺杂TiO₂溶胶显著提高了最终炭膜渗透性和选择性;采用TiO₂溶胶量为10%前体所制备的杂化炭膜对H₂、CO₂、O₂渗透性分别为1993.8、1555.6、266.9 Barrer,同时H₂/N₂、CO₂/N₂、O₂/N₂选择性分别为93.6、73.0、12.5。     

石墨烯改性聚丙烯腈基多孔炭用于高倍率性能超级电容器（英文）

作为一种富氮碳源,聚丙烯腈历来被作为生产炭材料的重要原料。但是聚丙烯腈直接炭化会导致其烧结不利于后续深度活化。通过干法球磨石墨烯和聚丙烯腈复合原料,结合稳定化和KOH活化,制备了杂化多孔炭,并系统研究了石墨烯和聚丙烯腈配比及后活化处理对杂化多孔炭性能的影响。结果表明：石墨烯的存在有利于高能球磨过程中热量地快速扩散,有效避免了聚丙烯腈的烧结;而聚丙烯腈进一步抑制了石墨烯片层的团聚,使石墨烯/聚丙烯腈复合前驱体呈现蓬松的粉体结构,利于碱的深度活化。同时,石墨烯在多孔炭结构中形成的三维柔性导电网络便于电荷地快速转移。由于其发达的孔、大的比表面积、优异的导电性以及氮/氧杂原子诱导的赝电容,所制备的杂化多孔炭用作超级电容器电极材料时,在水系和有机系电解液中均表现出了优异的电化学性能。尤其是,优化的HPC-4复合炭材料用作超级电容器的电极时,在1 mol/L四乙基四氟硼酸铵有机电解液中,当功率密度为337.5 W/kg时,能量密度可达30.38 W?h/kg。该工作为面向高功率兼高能量超级电容器电极材料的开发提供了一种简易且高效的制备策略。     

磷酸镁多孔材料的制备及其在结构超级电容器的应用

以NaHCO₃为引气剂,利用化学发泡法制备磷酸镁多孔材料（MPCPM）,该材料孔径发达、强度较高。利用MPCPM和KOH复合形成结构载体/电解质双连续相系统,并与石墨烯电极组装成一种新型结构超级电容器。研究发现,MPCPM孔隙连通度是影响结构超级电容器电学性能的主要因素。内部连通孔隙结构有利于离子的运输,从而改善结构超级电容器的储能容量。使用循环伏安、交流阻抗、恒流充放电以及抗压强度测试等方法研究化学发泡剂NaHCO₃掺量及养护龄期对结构超级电容器电学性能和力学性能的影响。NaHCO₃掺量为2.5%时比电容最高可达62.2 F·g^-1,比不掺加NaHCO₃时提高了34.1%。并且当NaHCO₃掺量为2%其比电容为38.79 F·g^-1,同时抗压强度高达18.76 MPa,显示出良好的多功能性。     

磷酸中添加剂对核桃壳活性炭性能的影响

采用磷酸活化法制备核桃壳颗粒活性炭,研究了在磷酸浸渍液中加入不同种类和含量添加剂对活性炭性能的影响。以亚甲基蓝和碘吸附值表征活性炭的吸附性能,并对活性炭的孔结构参数、机械强度和微晶结构进行了测试分析。结果表明：在磷酸中分别添加柠檬酸、柠檬酸钠、硼酸和糖精浸渍处理核桃壳原料,所得活性炭的亚甲基蓝吸附值都得到提高,而碘吸附值降低,说明添加剂促使活性炭中的微孔扩大为中孔。其中,添加0.5%的柠檬酸钠得到最佳的亚甲基蓝和碘吸附值,分别达到236.5和744.1 mg/g。此外,磷酸中添加1%硼酸后得到的活性炭结构中含坚固的炭微晶,起到了增强孔结构的作用,机械强度为85.8%;而添加1%糖精得到的活性炭中的炭微晶几乎全部发生了石墨化转变,生成质软的石墨,使强度下降,机械强度仅为80.1%;添加0.5%柠檬酸钠的活性炭由于发达的孔隙结构且没有炭微晶的加固而强度较低(82.5%)。     

针状焦基电容器碳质电极材料的制备及电化学性能研究

以煤系针状焦生焦为原料,KOH为活化剂,制备了用于超级电容器电极材料的活性炭。以3 mol/L KOH为电解液,用三电极电化学系统测试了活性炭的电化学性质;考察了活化剂用量对活性炭电化学性质的影响。研究结果表明：活化过程中,随着碱含量的增加,活性炭的电化学性能逐渐提高。当碳碱比为1∶3时,活性炭的比表面积达到2572.7 m²/g;电流密度为1 A/g时,其质量比电容达到316 F/g。循环5000圈之后,比电容保持在95.7%,库仑效率保持在97.0%。采用两电极系统,进一步考察了活性炭的电化学性能,以1 mol/L Na₂SO₄为电解液,电压窗口拓宽至1.8 V,循环伏安曲线同样展现出良好的矩形,能量密度和功率密度分别为20.8 W·h/kg和230 W/kg。     

2~5 nm孔集中分布泥炭基中孔活性炭的制备

将泥炭破碎、粉磨、浸渍磷酸后,压块成型、再破碎,置于管式炉经不同活化温度、活化时间制得活性炭。对浸渍磷酸后的泥炭样品在氮气下进行热重分析;测定活性炭样品的碘吸附值、亚甲蓝吸附值和焦糖脱色率,利用气体吸附仪、激光拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜分别表征其孔结构、碳结构、表面化学和微观形貌。结果表明：泥炭在磷酸活化过程中发生了交联反应,炭化/活化最大失重温度从300℃附近降低至200℃附近;随着磷酸浸渍比和活化温度的升高,活性炭中的无规则石墨层增多、羟基含量减少;磷酸浸渍比增加时,孔隙逐渐发达、吸附性能增强、2~5 nm孔段孔容增大;活化温度升高时,孔隙先收缩(400~550℃)后发生破坏(600℃)、吸附性能下降、2~5 nm孔段孔容减小;随着活化时间延长,活性炭的羟基含量先大幅减小(120~150 min)后无规律变化,孔隙先扩大(120~180 min)后收缩(>180 min),吸附性能>180 min后迅速下降,碳结构和2~5 nm孔段孔容无显著变化。在磷酸浸渍比1.5、活化温度500℃、活化时间180 min条件下,制得活性炭的比表面积为678.52m²·g^-1,2~5 nm孔段的孔容达0.1475 cm³·g^-1、占总孔容比率为31.04%、占中孔容比率为70.24%。     

磷酸/活性炭催化剂的制备及其在乙二醇脱水制1,4-二氧六环中的应用

以处理过的活性炭为载体,采用浸渍法制备了不同负载量的磷酸/活性炭催化剂。采用XRD、XRF、SEM、EDS、TEM、NH_3-TPD和N_2吸附-脱附等对催化剂进行表征分析,并将制备的催化剂应用于乙二醇脱水制1,4-二氧六环的反应。表征分析表明,制备的催化剂具有良好的微观形貌、孔道结构和酸性质;反应结果表明,磷酸负载质量分数为8%的催化剂反应效果最好,在此条件下,乙二醇转化率100%,1,4-二氧六环选择性达到90.6%,具有良好的应用前景。     

氮掺杂微孔活性炭制备及其超级电容性能

以土豆为碳源,乙二胺为氮源,氢氧化钾为活化剂制备具有微孔结构高比表面积氮掺杂活性炭。通过N_2物理吸附、扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱和元素分析研究活性炭比表面积、孔结构、形貌及元素组成,并测试其电化学性能。结果表明,当碱碳质量比为5∶1时(NC600-800-5),活性炭材料比表面积最高2 440 m~2·g~(-1)、孔容最大1.07 cm~3·g~(-1)、孔径最大0.82 nm和1.80 nm。电流密度1 A·g~(-1)时比电容可达370 F·g~(-1),经3 000次循环充放电后,比电容保持率为95.2%。     

磷酸法玉米秸秆基活性炭的制备及其表征

以成型、烘焙处理后的玉米秸秆为原料,磷酸作为活化剂制备了玉米秸秆基活性炭,并对活性炭样品进行表征。同时以碘吸附值、亚甲基蓝吸附值和焦糖脱色率为指标测定其吸附性能,并对制备条件进行优化。实验结果表明:玉米秸秆制备活性炭的最佳工艺条件为浸渍比即m(55%H₃PO₄)∶m(玉米秸秆)为4∶1、活化温度400℃、活化时间100 min,此条件下活性炭的得率为47.78%,制得的活性炭具有良好的吸附性能,碘吸附值、亚甲基蓝吸附值及焦糖脱色率分别达到864 mg/g、 210 mg/g和100%。活性炭比表面积可达1 105 m²/g,总孔容积为0.745 cm³/g,微孔孔容为0.287 cm³/g,中孔孔容为0.354 cm³/g,孔径分布集中于5 nm以内,约占73.56%,平均孔径为2.697 nm。FT-IR分析显示:在活化过程中磷酸与玉米秸秆发生交联作用,生成的活性炭损失了玉米秸秆的部分官能团。     

多种碳材料与碳酸钠复合后脱硫性能对比

碳材料本身对于H₂S的净化效果有限,通过将活性催化剂负载到活性炭上可以弥补碳材料脱除H₂S气体能力的不足。本文选用三种具有典型孔隙结构的碳材料：微孔活性碳纤维、中孔活性炭以及孔隙更大的单壁碳纳米管,等体积浸渍不同浓度的碳酸钠溶液制作负载活性材料的脱硫剂,应用固定床反应实验评价不同负载量下制得脱硫剂的脱硫性能,并对材料进行表征测试。经过对比,具有发达微孔结构的活性碳纤维材料整体上具有最佳的脱硫性能,且活性物质的负载量并不是越大越好。实验条件下,在出口逐渐检测到SO₂以及H₂S两种气体,其中SO₂气体出现较早。测定各类碳材料负载以及脱硫前后的表面pH,发现负载Na₂CO₃后材料表面pH得到大幅度提升,而脱硫后的材料表面pH均有不同程度的下降。     

稻壳基活性炭电极材料制备及其电化学性能研究

以稻壳为原料,氢氧化钠为活化剂,制备活性炭.进一步将该活性炭作为电极材料,以氢氧化钾溶液为电解液,组装超级电容器.采用X射线衍射(XRD)、氮气吸附脱附(BET)、扫描电镜(SEM)等手段,分析了不同活化温度对活性炭的比表面积及孔结构的影响,并利用恒流充放电、循环伏安等方法研究了电容器的电化学性能.结果表明:800 ℃活化下活性炭的比表面积最佳,为2760 m2/g,孔结构发达.此条件下,在6 mol/L的KOH电解液中,活性炭电容器比电容达267.2 F/g,等效内阻仅2.2 Ω,倍率性能好.经过5000次循环后,其电容保持率仍有83.7%,表明该稻壳基活性炭电极具有优异的充放电可逆性和循环稳定性.