超級(jí)活性炭的制備、性質(zhì)及在汽車能源中的應(yīng)用初探.pdf

1、隨著世界能源危機(jī)及環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，尋找清潔、安全而又高效的新型能源是一個(gè)迫不及待的問題。汽車能源發(fā)展與研究更引起人們的關(guān)注，在新能源研究熱潮當(dāng)中，尋求開發(fā)一種清潔而可再生的汽車能源代替以往污染大的能源，逐漸成為人們的共識(shí)。氫能和電能以其清潔、可再生，使用便利，更是歷來被人們所看好的能源。
　　以氫為能源的氫燃料電池汽車具有能量補(bǔ)給時(shí)間短、無二次污染、續(xù)航里程遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，氫氣的儲(chǔ)存、釋放與運(yùn)輸是氫燃料電池汽車開發(fā)的研究重點(diǎn)。從相關(guān)

2、資料來看，氣相儲(chǔ)氫、化學(xué)儲(chǔ)氫、壓縮儲(chǔ)氫、金屬儲(chǔ)氫，是當(dāng)前儲(chǔ)氫研究中較為熱門幾種的方式。但目前這幾種方式都有如儲(chǔ)氫材料昂貴、儲(chǔ)氫率低等限制無法滿足相關(guān)設(shè)備的使用要求?；钚蕴坎牧弦蚱洫?dú)特的孔狀結(jié)構(gòu)、價(jià)格便宜、來源廣泛、研究空間廣闊等優(yōu)勢(shì)可能成為較為理想的儲(chǔ)氫材料，但其儲(chǔ)氫率較低的短板讓人惋惜。而較一般活性炭而言，超級(jí)活性炭的比表面積大，孔道結(jié)構(gòu)也較為獨(dú)特，為人們帶來了豐富的余地，其結(jié)構(gòu)與性能研究也受到人們的追崇。
　　因超級(jí)活性炭的特

3、殊孔道結(jié)構(gòu)與性能，其作用在空氣電池上的研究是電能源研究的一大重要研究點(diǎn)。金屬-空氣電池具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本經(jīng)濟(jì)、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，在中小型運(yùn)載工具、迷你電子設(shè)備、戶外短期供電、軍事等方面有著其廣闊的研究前景。金屬-空氣電池中由于存在氣體擴(kuò)散性差、孔道堵塞等問題發(fā)展速度受到制約，超級(jí)活性炭在解決這些問題時(shí)可以發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在超級(jí)活性炭中，氣體能以極大的擴(kuò)散速度與特殊的孔道結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存于釋放，為氣體擴(kuò)散層制備研究以及空氣電極的設(shè)計(jì)提供新的思路

4、。
　　本文以農(nóng)副產(chǎn)品絲瓜絡(luò)為實(shí)驗(yàn)原料，以KOH為活化劑，經(jīng)過炭化、活化、酸洗、水洗等過程得到絲瓜絡(luò)超級(jí)活性炭。以活化溫度、升溫速率、堿碳比、活化時(shí)間為變量因素，通過L16（54）的正交實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行單因素對(duì)照實(shí)驗(yàn)，最終得到結(jié)構(gòu)與性能良好的絲瓜絡(luò)活性炭。以KOH溶液為電解液，每一組活性炭均經(jīng)過恒流充放電實(shí)驗(yàn)及三電極循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到性能最優(yōu)的活性炭，其儲(chǔ)氫容量高達(dá)490.24mAh/g。同條件下儲(chǔ)氫性

5、能最好的活性炭制備條件為：活化溫度820℃、升溫速率19℃/min、堿碳比為5:1、活化時(shí)間為70 min。將最終所得活性炭經(jīng)過氮?dú)馕摳綄?shí)驗(yàn)表征，其比表面積已達(dá)到超級(jí)活性炭級(jí)別，其數(shù)值為為3730m2/g，孔容為2.4199cm3/g，平均孔徑為2.5945nm。
　　為進(jìn)一步研究上述所得超級(jí)活性炭的性質(zhì)與吸附機(jī)理，以吸附亞甲基藍(lán)為吸附劑，保持?jǐn)嚢杷俣炔蛔兊那闆r下，以單因素變量法考察了初始濃度、活性炭投入量、吸附溫度和吸附時(shí)間對(duì)

6、活性炭吸附容量的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)：隨著亞甲基藍(lán)初始濃度的提高，活性炭對(duì)其吸附量逐漸增大，而消除率η降低；活性炭投加量和亞甲基藍(lán)的消除率呈正相關(guān)，然而單位活性炭樣品的吸附量與活性炭用量呈負(fù)相關(guān)；隨著溫度升高，活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附量先逐漸增大后逐漸減??；隨著吸附時(shí)間的延長(zhǎng)吸附量及吸附去除率也隨著增加，但隨之時(shí)間的延長(zhǎng)，增長(zhǎng)趨勢(shì)也趨于平緩。在此基礎(chǔ)上研究了超級(jí)活性炭對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附動(dòng)力學(xué)及Langmiur等溫吸附模型、Freun

7、dlish等溫吸附模型研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：絲瓜絡(luò)活性炭吸附亞甲基藍(lán)的過程與準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)較為吻合；Langmiur等溫吸附模型更能精準(zhǔn)地描述亞甲基藍(lán)在絲瓜絡(luò)超級(jí)活性炭上的吸附平衡，且擬合度非常高。
　　將上述所得超級(jí)活性炭用于一次鎂空氣電池當(dāng)中，根據(jù)反應(yīng)原理定制配套實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)電池進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試并研究其性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在本實(shí)驗(yàn)體系中，一次性鎂空氣電池能長(zhǎng)時(shí)間保持較高的開路電位，其數(shù)值在1.7 v左右；可接觸面積在4.5cm2鎂片

8、上加5g鎂粉能在本實(shí)驗(yàn)體系下以0.22mA/cm2的放電密度，能持續(xù)放電4h。電流密度對(duì)放電效果相關(guān)性研究，我們發(fā)現(xiàn)：隨著放電電流密度的遞增，電池比容量也隨著減??；在電池放電電壓為1.3v時(shí)，出現(xiàn)較為寬泛的放電平臺(tái)。以超級(jí)活性炭制成的氣體擴(kuò)散層具有良好的氣體擴(kuò)散性能，實(shí)現(xiàn)了氧氣的最大擴(kuò)散，保證了電池的最大利用率。
　　本文以絲瓜絡(luò)為原材料制備了超級(jí)活性炭，以儲(chǔ)氫性能為優(yōu)化指標(biāo)找出了超級(jí)活性炭的最佳制備條件，獲得了制備成本低廉、表比