氨气改性活性炭表面含氮官能团的形成与演变

为研究活性炭表面含氮官能团的形成与演变规律,以硝酸氧化预处理后的水蒸气活化椰壳活性炭(ACO)为原料,在300~1 000℃范围内采用了3种模式进行氨气改性,制得含有各类含氮官能团的改性活性炭。采用元素分析法、Boehm滴定法和X射线光电子能谱(XPS)技术分析了活性炭的元素含量、酸碱性和表面含氮官能团种类。结果表明:在改性温度700℃之前的氨气改性过程中,活性炭表面含氮官能团主要来源于表面含氧官能团与氨气的结合所形成酰胺、酰亚胺和内酰胺等氮氧型(N-X),以及部分氨气与碳原子直接结合形成的吡啶型(N-6)和吡咯型(N-5)等含氮官能团;当氨气处理温度达到800℃时,炭表面的含氮基团主要来源于氨气与炭表面的碳原子直接结合形成的N-6、N-5和季氮型(N-Q)含氮官能团。在热处理温度升高过程中,N-X逐渐转变为N-6、N-5和N-Q含氮官能团;当温度大于800℃时,N-6、N-5含氮基团能逐渐转化为N-Q含氮官能团。氨气改性温度达到800℃之前,活性炭表面没有形成N-Q官能团。     

活性炭作为电能储存与能源转化材料的研究进展

活性炭是一类传统的、可工业化生产的多孔质炭材料,由于它具有高的比表面积,可调的孔隙结构与表面化学性质、稳定的物理化学性质以及良好的导电性,因此,活性炭不仅在环保、化工、食品和医药等领域中得到广泛应用,而且具有储存电能和电催化转化燃料的潜力,在超级电容器和燃料电池等新型能源器件领域显示出巨大的应用前景。笔者综述了活性炭作为超级电容器和燃料电池电极材料的主要研究进展。在超级电容器方面,活性炭是作为储存电能的材料,主要综述了活性炭作为超级电容器电极材料的应用历史,气体活化法、化学药品活化法、碱金属活化法等常规方法制备的活性炭储存电能的性能,活性炭表面含氧、氮、硫和磷表面官能团对超级电容器活性炭电化学性能的影响规律,活性炭表面改性技术在超级电容器活性炭方面的应用。在燃料电池方面,活性炭是作为阴极反应的催化剂材料,主要综述了活性炭作为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池和微生物燃料电池阴极材料的研究现状,炭材料催化燃料电池的阴极反应,即氧气还原反应的表面结构特点与反应机理。通过分析总结,明确了活性炭作为新型能源材料的未来发展方向。     

氮掺杂竹炭基超级电容器电极材料制备与表征

以竹炭为前驱体、三聚氰胺为氮源、碳酸钾为预活化剂,采用两次活化工艺成功制备了氮掺杂竹活性炭超级电容器电极材料。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、比表面积及孔隙分析(BET)和X射线光电子能谱(XPS)等测试方法对制备的电极材料的形貌、结构、化学成分进行表征。通过控制活化过程中的炭碱比(质量比)优化样品的电化学性能,结果表明:炭碱比为1∶1时制备的NC-1样品比表面积高达1 984.4 m2/g,平均孔径为1.26 nm,样品具有清晰的介孔以及内部蠕虫状的微孔。炭材料中氮元素和氧元素含量(质量分数)分别为2.20%和4.65%,有利于增加活性炭表面的亲水性和赝电容,从而提高其比电容量。经电化学性能测试,NC-1样品循环伏安曲线(CV曲线)具有良好的对称性,呈近似矩形;其中在低电势窗口出现明显的宽峰,表明充放电过程中材料表面的含氮官能团与电解液之间发生氧化还原反应,贡献赝电容。恒流充放电显示在1 A/g电流密度下质量比电容高达224 F/g,与未采用该活化工艺的样品比较提高了86.7%。在50 A/g电流密度下其质量比电容高达144 F/g,且在10 A/g下经5 000次循环充放电后仍可达到93%的初始电容保持率,显示了氮掺杂竹活性炭超级电容器电极材料较优异的电化学性能和稳定的循环性能。     

水蒸气活化制备超级电容器木质活性炭的研究

为了制备价格低廉、性能优良的超级电容器活性炭,以马尾松为原料,采用常规的水蒸气活化法制备了超级电容器木质活性炭。采用元素分析,N2吸附/脱附等手段分析了活性炭的元素含量和孔隙结构;采用循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗等方法,分析了活性炭电极在以1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐/乙腈为电解质溶液的超级电容器中的电化学性能,考察了活化温度、活化时间对木质活性炭电化学性能的影响规律。结果表明:随着活化温度的升高,活性炭的比电容量先增后降;随着活化时间的延长,活性炭的比电容量也呈现先增后降的变化趋势。在炭化温度900℃、活化温度900℃和活化时间1 h的条件下制得的活性炭比表面积高达1 647 m~2/g,总孔容积1.00 cm3/g;在5 m V/s的扫描速率下活性炭电极的比电容量最高,达到155 F/g,且倍率性能和循环稳定性良好,循环5 000次后比电容量保持率89%;其在有机电解液中的能量密度高达33.6(W·h)/kg。     

石墨烯改性椰壳活性炭复合材料的制备及其电化学性能研究

以椰壳为原料,水蒸气活化法制备了椰壳活性炭(AC),并以乙醇和水作为溶剂,采用水热法将AC与石墨烯(GR)按质量比90∶0、90∶5、90∶54、90∶90和54∶90复合,将制得的复合材料(GAC1~GAC5)作为电极应用于超级电容器。通过氮气吸脱附、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)方法表征了活性炭的孔结构和表面形貌;采用循环伏安(CV)、恒电流充放电(GCD)方法分析比较不同复合比例下超级电容器电极材料的性能。实验结果表明:在炭化温度800℃,活化温度900℃及活化时间1.5 h的条件下制备的椰壳活性炭比表面积为2482 m^2/g,其孔径主要分布在2~4 nm,孔容可达1.33 cm^3/g,在6 mol/L KOH电解液中比电容为85 F/g,石墨烯改性的复合材料GAC-5作为电极材料具有优异的电化学性能,在电流密度1 A/g时比电容可达186 F/g。     

二次水蒸气活化制备离子液体超级电容器活性炭的研究

为改善工业物理法产普通活性炭的孔隙结构,提高其作为离子液体超级电容器电极材料的性能,采用水蒸气活化法,分别对煤质活性炭(CAC)、椰壳活性炭(CSAC)和竹基活性炭(BAC)进行二次活化,探讨了工艺条件对活性炭孔隙结构的影响,并利用恒电流充放电、循环伏安曲线和交流阻抗等方法对3种活性炭制作的双电层电容器的电化学性能进行了研究。结果表明:二次水蒸气活化能够显著提高活性炭中孔孔容,从而大大提高吸附性能,3种活性炭的碘吸附值、亚蓝吸附值均相比原料有较大提升;二次水蒸气活化对CSAC的孔隙结构和比电容量影响最显著,二次活化椰壳活性炭的BET比表面积可达1 972 m2/g,电流密度0.5 A/g时,超级电容器的比电容量可达106 F/g,是原料(43F/g)的2.5倍。     

多孔碳质材料微结构和电性能的研究

超大容量电容器又叫双电层电容器,它的静电容量是同体积普通电容器的１０＾５－１０＾６倍,是现代电子工业的重要元件之一。双电层容器的极板是对特定电解质具有优良吸附性能的多孔碳质材料－活性炭制成的。     

碱/尿素溶解体系制备氮掺杂活性炭及其电化学性能研究

以杉木屑为原料,三聚氰胺固体废弃物(OAT)为氮源,基于碱/尿素体系溶解纤维素,通过一步热解制备氮掺杂活性炭,并考察活化温度和OAT加入量对活性炭的吸附性能和电化学性能的影响.通过X射线光电子能谱(XPS)和比表面积分析仪分析材料的表面结构和孔结构;采用循环伏安(CV)、恒流充放电(GCD)和交流阻抗(EIS)等测试手...     

吸附性能的研究

对糠醛渣制得的活性炭,采用S2Cl2回流负载,再微波焙烧的方法进行改性,采用Boe-hm滴定法和FT-IR分析了活性炭改性前后表面官能团的变化情况;对比了活性炭改性前后孔径分布情况;并探讨了改性活性炭对水体中的Hg2+吸附性能。Boehm滴定分析表明活性炭改性后的总酸度、羧基、内酯基皆有增加;FT-IR谱图上700～500 cm-1范围内出现了新的吸收峰说明了改性活性炭表面增加了C—S、S—S键,孔径分布分析表明改性后活性炭微孔更加发达。在Hg2+初始质量浓度1～6 mg/L、温度25℃、pH值6.0～7.0、吸附时间180 min的条件下,经S2Cl2改性后活性炭用量为2.5 g/L时,对水体中Hg2+去除率达93%以上。     

Adsorption Behavior of Hg2+ in Aqueous Solution Using Modified Activated Carbon from Furfural Residue

对糠醛渣制得的活性炭,采用S2Cl2回流负载,再微波焙烧的方法进行改性,采用Boehm滴定法和FT-IR分析了活性炭改性前后表面官能团的变化情况;对比了活性炭改性前后孔径分布情况;并探讨了改性活性炭对水体中的Hg2+吸附性能.Boehm滴定分析表明活性炭改性后的总酸度、羧基、内酯基皆有增加;FT-IR谱图上700～500 cm-1范围内出现了新的吸收峰说明了改性活性炭表面增加了C—S、S—S键,孔径分布分析表明改性后活性炭微孔更加发达.在Hg2+初始质量浓度1～6 mg/L、温度25℃、pH值6.0～7.0、吸附时间180 min的条件下,经S2Cl2改性后活性炭用量为2.5 g/L时,对水体中Hg2+去除率达93％以上.     

利用低温竹炭制备竹活性炭初步研究

选用低温竹炭为原料、氢氧化钾为活化剂,制备不同炭碱比和不同活化时间的竹活性炭。运用傅立叶红外光谱议(FTIR)、比表面积测定仪(BET)等仪器对竹活性炭表面官能团、比表面积和孔径结构及比电容进行了测试和分析。结果表明,炭碱比1:4、活化温度700℃、活化时间3h条件下制备的竹活性炭,比表面积为2897.7m2/g,总孔容为1.340cm3/g,平均孔径为2.59nm,亚甲基蓝吸附值为27.7ml/0.1g,碘吸附值为1920mg/g,作为超级电容器(EDLC)的电极,其比电容为114.4F/g。     

热解活化法制备微孔发达椰壳活性炭及其吸附性能研究

以椰壳为原料,采用热解活化法制备微孔发达活性炭。研究了活化温度、活化时间对活性炭孔结构和吸附性能的影响。实验结果表明:活化温度为900℃,活化时间为4 h,可制得比表面积为994.42 m2/g的微孔发达活性炭,其碘吸附值为1 295 mg/g,亚甲基蓝吸附值为135 mg/g。N2吸附结果表明活性炭的平均孔径在2 nm左右,总孔容积为0.503 9 cm3/g,其中微孔容积为0.430 3 cm3/g,微孔率达85.39%。对该活性炭进行CO2动态吸附实验,CO2饱和吸附容量为56.61 mg/g,在热解活化法制备椰壳过程中,随着活化温度的升高和活化时间的延长,活性炭的得率有不同程度的降低。     

微波处理对活性炭孔隙结构的影响

在高纯氮气的保护下对活性炭在4种不同功率和作用时间下进行了微波改性处理，利用ASAP2010氮气吸附仪和X-射线分析仪测定了活性炭经微波处理后孔隙结构和基本微晶的变化，通过对比分析探讨了微波加热对活性炭孔隙结构的影响。结果表明：微波处理使活性炭比表面积变化不大，孔容稍有缩小，主要变化发生在中孔范围，孔径分布变化不大，只是向小孔方向发生稍微的移动，活性炭基本微晶增大，石墨化程度提高。     

薄皮核桃壳基活性炭的制备及表征

【目的】以农林废弃物薄皮核桃壳为原料,通过化学活化-高温炭化法制备多孔活性炭材料,优化制备工艺过程,表征吸附性能机理,为薄皮核桃壳的开发利用提供技术指导。【方法】以碘吸附值和亚基甲蓝吸附值为考察指标,进行活化剂的筛选,并进一步考察原料粒度、料液比、活化时间、炭化温度和炭化时间对制备出的活性炭的吸附性能的影响。采用N2吸附-脱附等温线、元素分析仪和FTIR测定了活性炭的孔隙结构、主要元素组成和表面官能团,扫描电镜分析形貌结构,XRD和TG分析活性炭的结晶度和热稳定性。【结果】选用磷酸为最佳活化剂,薄皮核桃壳活性炭的最佳制备工艺条件为:核桃壳粉100目、料液比1:4、活化时间120 min、炭化温度500℃、炭化时间60 min,此工艺条件下制备出的活性炭的碘吸附值为657.42±3.16 mg/g、亚甲基蓝吸附值为248.55±1.94 mg/g。制备出的活性炭的表面积为449.80 m2/g,具有丰富的孔隙结构,孔容积为1.11 m2/g,平均孔径为7.87 nm。碳元素含量为65.56%,结晶度不高,为无定型结构,活性炭在400℃左右发生热降解,主要含有羧基、酚基、醇羟基等活性官能团。【结论】采用磷酸活化法制备出的薄皮核桃壳活性炭的孔隙结构发达,具有良好的吸附性能,碘吸附值和亚甲基蓝吸附值均高于国家标准,具有将废弃物资源循环利用的价值和前景。     

高温重整调控木质成型活性炭性能的研究

为了研究高温重整方法对活性炭性能的影响,以商品磷酸法木质成型活性炭为原料,考察了不同升温/降温方式、重整温度和重整时间对活性炭强度、孔结构、着火点和官能团的影响。结果表明:快速升温至800℃重整活性炭30~75 min后快速降温的方式(快速升温/快速降温(FH/FC))可使活性炭强度提高5.75%~6.39%,得率保持在83.54%以上,比梯度升温/自然降温(GI/ND)更高效节能。对经800℃重整30和60 min后的活性炭的孔结构和吸附性进行研究,发现活性炭的比表面积和总孔容积分别下降约400 m2/g和0.3 m3/g,孔径分布在1.2 nm以下的微孔所占的比例增加,对亚甲基蓝的吸附性能略有下降,而对碘的吸附性能略有提高,丁烷工作容量下降15%以内。经高温重整后,活性炭的着火点显著提高,800℃重整60 min后,着火点提高100℃以上,这与高温重整后活性炭表面含氧官能团数量的减少有关。     

活化剂用量对竹基活性炭孔结构及电化学性能的影响

以毛竹为炭前驱体,KOH作活化剂,通过调节KOH用量在相同活化条件下制备了具有不同孔隙结构的竹基活性炭材料,通过扫描电镜、BET氮气吸附、直流充放电、交流阻抗和循环伏安等结构与电化学性能分析方法,考察了碱炭比对竹基活性炭材料结构和性能的影响.研究结果表明:随着碱炭比增大,活性炭材料的比表面积与总孔容、中孔孔客、微孔孔客...     

磷酸活化工艺条件对活性炭性质的影响

探讨了磷酸浓度、浸渍比、活化温度三个主要工艺参数对活性炭性质的影响。结果表明磷酸浓度、浸渍比和炭活化温度对磷酸活化法活性炭的碘吸附值、亚甲基蓝脱色力和焦糖脱色力都有影响:浸渍比(纯磷酸与绝干原料质量之比) 的影响最显著,但1.5:1之后影响不大;磷酸浓度对活性炭的碘吸附值影响显著,对亚甲基蓝脱色力的影响次之,而对焦糖脱色力的影响很小;炭活化温度对碘吸附值和焦糖脱色力的影响随磷酸浓度和浸渍比的不同而有较大的差异,但在不同的磷酸浓度和浸渍比的情况下炭活化温度的升高都提高亚甲基蓝脱色力。磷酸活化活性炭的孔隙结构能通过调整磷酸浓度、浸渍比和炭活化温度进行控制。     

Pore structure and the properties of electric double layer capacitor electrode of bamboo-derived activated carbon prepared by superheated steam

Bamboo-derived activated carbon prepared by superheated steam (BAC) exhibited performance for utilization as an electric double layer capacitor (EDLC) electrode. Pore structure and EDLC performances were investigated by comparison with phenol resin-derived activated carbon (MSP-20), which is commercially available and often used for the purpose. The nitrogen adsorption isotherm showed that BAC had a large BET-specific surface area of 1268 g/m² with a developed pore structure, especially of the mesopore, in comparison with MSP-20. It is considered that inherent ash in bamboo promoted activation, in addition to physical activation by superheated steam. Capacitance per electrode volume (C_V) was 52 F/cm³ with BAC. Because the density of BAC is high (0.78 g/cm³) compared with that of MSP-20 (0.58 g/cm³), sufficient C_V for usage was obtained, although the capacitance per electrode mass (C_M) at 5 mA/cm² itself of BAC (67 F/g) was lower than that of MSP-20 (126 F/g). With IR drop, the resistance value of BAC (9.7 Ω) was lower than that of MSP-20 (10.5 Ω). Especially, the diffusion resistance of BAC disclosed to be smaller than that of MSP-20. These results indicated that BAC produced by steam activation is a promising material with a pore structure suitable for ion transfer in EDLC.     

硼酸催化制备木屑活性炭工艺及孔结构特征

以木屑为原料,磷酸为活化剂,硼酸为催化剂制备活性炭。通过正交实验考察了活性炭制备过程中磷屑比、硼酸添加量,活化温度和活化时间等因素对活性炭性能的影响。实验结果表明:生产活性炭的最佳工艺条件为磷屑比为1.5∶1,硼酸的添加量为1%,活化温度是400℃,活化时间为60 min,此时活性炭的得率为33.5%,亚甲基蓝吸附值为225 mg/g,碘吸附值为855 mg/g。添加硼酸的制备方法要比传统的用磷酸制备时的条件更加温和,通过调整工艺条件,可以改变活性炭产品的孔隙结构,生产出用于不同环境的液相吸附专用活性炭。