碱活化法制备活性炭过程中插层钾的脱插研究

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高比表面积活性炭因其具有丰富的孔隙结构和较大的吸附容量,是制备超级电容器、催化剂、催化剂载体、燃料气存储介质等的优良材料。采取KOH活化石油焦等高含碳质料来制备活性炭是当下研究的热门课题。通过对KOH活化机理的深入研究,证实了在活化过程中会产生钾,且这些钾可以插层到活性炭的碳网层片中,改变其孔隙结构。这些插层钾的存在并不稳定,随着插层钾的脱嵌,活性炭的孔隙结构可以得到进一步的发展,这为高比表面积活性炭的掺杂及孔隙结构的调变提供了新方向。本文用石油焦制备活性炭,KOH作为活化试剂,二者比例为1:3,活化温度为800℃,活化时间为1h。当反应体系温度分别降至200℃、250℃、300℃、350℃时引入H2S、H2O、HCl对活化后产生的钾进行脱插,考察其反应性,以期改善活性炭的孔隙结构和表面性质。利用氮吸附仪测量活性炭氮吸附量及各孔隙结构参数,研究了脱插对活性炭孔隙结构的影响;利用Boehm滴定分析、元素分析、红外分析等手段考查了脱插对活性炭表面性质的影响;利用XPS、XRD等分析方法,探讨了活性炭插层及脱插的机理,并构建了机理模型;通过对比引入H2S、H2O、HCl脱插所制样品的表征结果,考察了不同脱插试剂对所制活性炭性质的影响。实验结果表明:经H2S脱插后活性炭的总孔容(Vt)、微孔孔容(Vmicro)均有所减小,比表面积(SBET)随温度增加逐渐减小。中孔率都有所升高。同时,脱插后的样品中其表面含氧官能团种类和数量发生了改变,引入了一些含硫基团。说明引入H2S不仅可以改善活性炭的孔隙结构,还可以改变其表面化学性质。对比H2S、H2O、HCl对脱插结果的影响发现;相比于HCl和H2S,用H2O脱插的反应环境比较温和,对活性炭内部晶体结构影响较小;HCl、H2S具有较强的酸性和腐蚀性,不但与插层钾发生剧烈的反应,还会破坏活性炭内外表面孔结构,扩展层间距,使微孔数量减少,扩展为中大孔。
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