活性炭作为电能储存与能源转化材料的研究进展

左宋林;王永芳;张秋红

南京林业大学化工学院,江苏省农林生物质资源化学利用国家重点实验室培育建设点,南京 210037

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。

水蒸气活化制备竹制成型活性炭及其对二硫化碳的吸附

许伟¹，孙康¹，缪存标²，王傲¹，宋曜光¹，刘军利^1*

1.中国林业科学研究院林产化学工业研究所；生物质化学利用国家工程实验室; 国家林业局林产化学工程重点开发实验室；江苏省生物质能源与材料重点实验室，南京 210042；2.福建元力活性炭股份有限公司，福建 南平 353000

竹材是重要的林业可再生资源,以竹材代替木材制备活性炭可节省大量木材。以竹粉为原料,经磷酸活化成型后进行水蒸气二次活化,在不同工艺条件下制备了高吸附性能活性炭。通过碘吸附值、亚甲基蓝吸附值、N2吸附-脱附等温线、二硫化碳动态吸附量等对所制活性炭的性能进行表征。结果表明:在磷酸浸渍比1.2:1、活化时间20 min、活化温度450℃,水蒸气活化温度875℃、活化时间1 h、流量3.0 mL/min条件下,制得的活性炭BET比表面积为1 264.60 m2/g、总孔容积为1.227 cm3/g、平均孔径为3.88 nm、碘吸附值为1 452.96 mg/g、亚甲基蓝吸附值为307.5 mg/g、强度为91.76%、得率为30.42%; 在动态干燥和30%相对湿度条件下,对二硫化碳的单位质量吸附量分别为0.416和0.390 g/g。活性炭对CS2的吸附能力主要与活性炭的孔结构有关,微孔发达、平均孔径小、碘吸附值高的活性炭更有利于CS2的吸附。由于竹材表观密度相对较低,且受到竹材自身组分的限制,所制活性炭的强度低于椰壳活性炭。

不同含水量活性炭的丙酮动态吸附性能研究

李力成^1,2，王磊^1,2，石康中³，杜硒³，花泽林^1,2，朱哲文¹，程圆圆¹，李雪峰³，戴玉芳³

1.南京林业大学化学工程学院,南京 210037；2.南京林业大学江苏省农林生物质化学与利用国家重点实验室培育点，南京 210037；3.双维伊士曼纤维有限公司，合肥 230601

为深入研究活性炭的含水量对其吸附丙酮/空气混合气(VLA)中丙酮气体的影响,通过制备不同含水量的活性炭,分析含水量对活性炭丙酮吸附性能的影响。结果显示,丙酮在活性炭上的吸附穿透时间和吸附饱和时间随其含水量的增加而缩短,床层利用率下降。通过Thomas模型拟合结果发现,水分低于20%时,吸附曲线与模型吻合程度较高,平衡吸附量(q0-T)随着活性炭含水量的增加而下降; 丙酮吸附速率则随着含水量的增加先增加后下降,当含水量达到20%后,活性炭的丙酮吸附速率达到最大值0.698 L/(min·mmol),表明活性炭含有一定水量有助于提升其丙酮回收效率。通过分析活性炭含水量和孔容的关系,发现丙酮主要以简单的形式吸附,即与单分子层吸附机理类似。当湿炭含水量较高时,丙酮除了单分子层吸附,还伴有溶解于水中的现象。

糠醛渣多孔炭的制备及其在超级电容器中的应用

徐曼曼，李新生，黄权波，王小慧^*

华南理工大学轻工科学与工程学院，广州 510640

随着经济的发展和社会的进步,人们对具有长的循环寿命、高的功率密度和绿色廉价的能源设备的需求逐渐增加,基于生物质活性炭的超级电容器近年来备受关注。然而,生物质基活性炭的电化学性能仍然缺少竞争力,此外,对其微观结构的控制也是较大难题。笔者以糠醛渣为原料,KOH为活化剂,在氩气氛围下通过两步炭化的方法制备三维多孔炭材料,并将制备的多孔炭用做超级电容的电极材料。通过SEM、TEM、Raman、XPS、XRD等手段系统分析表征了所获多孔炭材料的形貌、结构、组成,并探讨活化剂的比例对糠醛渣多孔炭结构性能的影响。研究结果表明:当KOH和糠醛渣的质量比为3:1时,所制备的多孔炭材料比表面积为2 164.3 m2/g,具有良好的电容性能(当电流密度1 A/g时,比电容为235.6 F/g)、倍率性能和循环稳定性(当循环充放电10 000 次后,比电容仍能保留96%以上)。本研究从生物精炼废弃物中制备了性能优异的超级电容器用活性炭,为降低高性能超级电容器成本,实现生物质的高值化应用提供新思路。

废弃粉状活性炭制备多孔炭陶瓷及其吸附性能研究

左宋林，李娟，李业彬

南京林业大学化工学院，江苏省高校农林生物质化学与利用国家重点实验室培育建设点，江苏省生物质绿色燃料与化学品重点实验室，南京 210037

为了实现废弃粉状活性炭的再生与资源化利用,笔者以废弃粉状活性炭为原料,以凹凸棒土为黏结剂,通过混合捏合、挤压成型、干燥烧结制备了多孔炭陶瓷。采用氮气吸附、扫描电子显微镜、X射线衍射表征了多孔炭陶瓷的孔隙结构和形态,测试了多孔炭陶瓷对碘、亚甲基蓝、苯酚和腐殖酸的吸附能力。考察了黏结剂用量、烧结温度和时间对炭陶瓷孔隙结构、吸附性能和强度的影响,分析了多孔炭陶瓷吸附水体中腐殖酸的性能。结果表明,黏结剂用量、煅烧温度和时间均对炭陶瓷的孔隙结构、强度和吸附能力具有较为明显的影响:当黏结剂与原料炭的质量比为1:4,烧结温度和时间分别为800℃和0.5 h时,可以制备出强度达98%、比表面积和比孔容积分别为607 m2/g和0.720 cm3/g的中孔发达的多孔炭陶瓷。该成型炭陶瓷具有发达的中孔结构,对腐殖酸的平衡吸附量可达193.3 mg/g,显著高于商用的成型活性炭。溶液的pH和吸附温度影响炭陶瓷对腐殖酸的吸附量,在溶液pH为3、吸附温度为45℃时,炭陶瓷表现出较好的腐殖酸吸附能力。

饮用水净化用炭基滤芯成型工艺优化

梁广元¹，张一丁¹，孙毅²，徐皓诚¹，舒理强¹，徐飞扬¹，张文标^1*

1.浙江农林大学工程学院，杭州 311300；2.山东省产品质量检验研究院，济南 250102

为获得优良竹活性炭基饮用水净化用滤芯,笔者以毛竹活性炭为基材,椰壳活性炭为对比材料,添加高密度聚乙烯,采用活性炭挤出机(CTO)进行基础成型,采用响应曲面法,选取密度、抗压性、渗水率及碘吸附值作为响应值,对施胶量、含水率和粒径3个因素进行优化,确定最佳成型工艺,并对其饮用水净化效果进行了评价。结果表明:毛竹活性炭滤芯的密度随含水率和施胶量的增加而降低,随粒炭粉径的变小呈现先减小后增大的趋势; 随含水率和施胶量的增加抗压性降低,随着炭粉粒径的变小抗压性增加; 含水率和炭粉粒径对滤芯的碘吸附值影响不明显,随施胶量的增加滤芯的碘吸附值降低; 随粒径目数、含水率和施胶量的增加滤芯的渗水率呈降低趋势; SEM和EPR分析表明,滤芯的净水主要为物理吸附,化学吸附微弱; 有机物吸附模拟试验表明,滤芯对水质甲醛去除效果良好,可有效吸附水中有机污染物; 随竹活性炭滤芯投加量的增加,饮用水CODMn的去除率增加,当投加量大于400 mg时吸附饱和; 竹活性炭和椰壳活性炭滤芯对CODMn的吸附均符合Freundlich模型。