电化学转化煤制备电容器活性炭电极材料及其性能研究

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活性炭具有高比表面积、孔径可控、化学稳定性和热稳定性高以及电导率较高等优点,广泛应用于水和烟气处理、催化及负载催化剂、超级电容器及锂电池材料、临床医学及储氢领域。近年来,我国对活性炭的需求量越来越大,但传统的物理及化学活化法都存在一些需要解决的问题。木质原料昂贵的价格限制了大规模的使用,而我国的煤炭资源丰富、含炭量高,是一种非常具有发展前景的优质原料。目前,利用煤炭制备煤基活性炭材料的难点在于难以有效去除所含的杂质,这些杂质不仅在燃烧时产生大量有害气体,而且限制了所制备的活性碳材料的性能。为了满足环保的要求,本论文中我们提出一种可以在熔盐浸出及电解过程中一步除杂、炭化、活化的方法,清洁转化无烟煤及褐煤为活性炭,将其作为电容器的电极材料。实验中以混合碳酸熔盐(Na2CO3-K2CO3)为反应介质,惰性金属棒为阳极,煤炭原料放置在阴极,通过浸泡及恒电压电解的方法转化处理。研究了不同制备方法(浸泡或电解)、施加的电压及KNO3添加剂等因素对制备的活性炭材料电化学性能的影响。采用XRD、SEM、EDS、Roman等方法对材料进行了表征,循环伏安、交流阻抗、恒电流充放电等方法对材料的电化学性能进行了分析。研究表明:(1)采用熔盐法已经成功将煤转化为活性炭。(2)在高温熔盐中,电解无烟煤粉制备的碳材料的容量随电压的升高而增加,在3.0V的电压下电解5h得到的AC-3.0V-5h电极材料在0.1A·g-1和5A·g-1的比电容能达到23 9F·g-1和173F·g-1,电容保持率为72.4%,并且在三电极体系中进行10000次循环后电容几乎没有损耗;混入KNO3后反应获得的活性炭在5A·g-1的电流密度下容量增加到190F·g-1,但容量保持率有所降低。(3)在高温熔盐中,电解褐煤制备的碳材料的容量同样随电压的升高而增加,但在2.3V电压下电解5h得到的HAC-2.3V-5h电极材料在0.1 A·g-1的电流密度下容量就已经达到292F·g-1,而在5A·g-1的电流密度下容量仅为153F·g-1。本实验方法的两个优点在于:首先,反应过程中没有使用任何有毒的酸/碱性溶液,利用杂质和熔盐的反应在熔盐和水洗液中混合浸出主要杂质(二氧化硅和氧化铝);其次,使用了廉价的析氧惰性合金阳极,不会生成有害气体。从两方面减少了对环境的污染。此外,通过电化学的方法调控了煤基活性炭的性能,进一步提高比容量。此方法为其他含碳废物和矿物的处理提供了一种新思路。
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