活性炭材料的電化學(xué)性能及儲能性能研究.pdf

1、活性炭微球是作為新型的炭材料，由于具有高的比表面積和發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)，在超級電容器電極、氣體存儲、氣體分離、催化反應(yīng)等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。本文采用一種新的制備工藝制備了高比表面積的活性炭微球和具有類石墨微晶結(jié)構(gòu)的活性炭，并研究了其電化學(xué)性能和儲能性能。主要研究內(nèi)容如下：
　　 1.本論文首次在中溫煤瀝青混合二氧化硅粉末為原料，采用KOH化學(xué)活化法制備了不同比表面積和孔徑分布的活性炭微球。系統(tǒng)考察了預(yù)氧化溫度、活化溫度和活化劑配比

2、對活性炭結(jié)構(gòu)的影響。在360℃預(yù)氧化，500℃碳化，800℃活化，活性劑與原料配比為7∶1的條件下制備的活性炭微球具有3537 m2g-1的比表面積，平均孔徑為2.89 nm，孔容為2.56cm3g-1，中孔孔容可達(dá)1.53 cm3g-1，上述性能高于文獻(xiàn)中的報(bào)導(dǎo)。
　　 2.采用恒流充放電以及伏安循環(huán)法考察了不同條件下所制備的活性炭微球作為雙電層電容器電極在1M Et4NBF4/PC電解液中的電化學(xué)性能。結(jié)果表明：活化溫度為8

3、00℃，KOH∶C=7∶1時(shí)所制備的活性炭在0.35mAcm-2時(shí)，比容量最大，最大比容量為191 Fg-1，在7 mAcm-2時(shí)，比容量為145 Fg-1，顯示出較佳的大電流保持率。通過研究DFT比表面積與比容量得知，1～2 nm的微孔對比電容的貢獻(xiàn)略大于2nm以上的中孔的貢獻(xiàn)。
　　 3.為了討論超級電容器的儲能機(jī)理，采用KOH活化初生泡沫炭和炭微球制備納米微晶炭，研究了原料的碳化和活化溫度以及活性劑配比對其結(jié)構(gòu)和電容性能的

4、影響，結(jié)果表明：適當(dāng)?shù)奶蓟?、活化溫度與活性劑含量能夠?qū)崿F(xiàn)對納米微晶炭孔結(jié)構(gòu)和微晶結(jié)構(gòu)的調(diào)控，經(jīng)過活化后微晶炭樣品，內(nèi)部含有大量較完整的類石墨晶，微晶炭依靠電解質(zhì)離子嵌入類石墨晶層間存儲能量；通過600℃碳化，800℃活化炭微球制備出比表面積3995m2g-1，平均孔徑為1.90 nm，孔容為1.90 cm3g-1的微孔活性炭；微晶炭電極超級電容器在面積比電容量上是活性炭基超級電容器的10～100倍，具有更大的體積比電容?；罨蟮奈⒕繕?/p>

5、品能在3.5 V的工作電壓下進(jìn)行長期穩(wěn)定的充放電循環(huán)，具有耐高電壓工作性能。
　　 4.利用實(shí)驗(yàn)和分子模擬相結(jié)合的方法研究了活性炭微球的儲能性能。利用IGA-003型重力分析儀測試了氫氣、甲烷和二氧化碳在0～18 bar和不同溫度下在活性炭微球內(nèi)的吸附。發(fā)現(xiàn)在77 K和18 bar時(shí)，氫氣在樣品中的吸附量可達(dá)5.95 wt％；在298 K和18 bar時(shí)，二氧化碳在樣品中的吸附量為909mgg-1，以上的吸附結(jié)果得到了英國Hid

6、en公司的驗(yàn)證；在298 K和18 bar時(shí)，甲烷在樣品中的吸附量最高為15.23 wt％。利用巨正則系綜Monte Carlo方法計(jì)算得到了樣品的孔徑分布。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了甲烷和二氧化碳在0～18 bar壓力下的吸附，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好。同時(shí)我們預(yù)測了甲烷和二氧化碳在高壓下的吸附。在298 K和80 bar下，甲烷在樣品中的吸附量可以達(dá)到33 wt％；在298 K和100 bar下，二氧化碳在樣品中的吸附量可以達(dá)到1064