煤基多孔炭的制备及其在超级电容器中的应用

以新疆煤为原料,采用水蒸气活化一步法制备出多孔炭材料,考察了活化时间和原料粒度对活化过程的影响,对比了活化前脱灰和活化后脱灰的优劣.结果表明,活化时间以120min为宜,原料粒度在150μm^180μm时较优,活化后比表面积高达1 300m^2/g,收率为30%.样品脱灰适宜在活化后进行.将所制备的多孔炭材料应用于超级电容器,考察了其电容性能.结果表明,在6mol/L KOH电解液中,三电极体系材料电容值可达149F/g.两电极超级电容器具有良好的长循环稳定性,30 000次循环后容量几乎无衰减.

Ca(NO_(3))_(2)改性对煤基多孔炭结构及甲苯吸附性能的影响

挥发性有机物(VOCs)是光化学反应形成细颗粒物(PM_(2.5))、臭氧(O_(3))等2次污染物的重要前驱体,对大气环境和人体健康具有严重的危害。多孔炭吸附法具有效率高、成本低、可再生等优点,在VOCs处理技术中应用广泛。然而目前国内生产的煤基多孔炭以中低端产品为主,存在孔隙不够发达、传质过程受限等问题。围绕多孔炭制备过程的结构原位调控以及VOCs在孔道内的扩散/吸附机制开展了深入的研究。以褐煤为原料,KOH为活化剂,通过酸洗脱灰和Ca(NO_(3))_(2)浸渍预处理,在碱煤质量比为2∶1的条件下制备煤基多孔炭,并选择甲苯作为目标VOCs进行吸附机制研究。结果表明,Ca(NO_(3))_(2)改性后制备得到多孔炭的石墨芳香片层堆叠高度(L_(c))减小、层间距离(d_(002))增大,说明Ca(NO_(3))_(2)改性导致石墨微晶的破坏程度加深,有利于发达孔隙结构的形成。以甲苯分子动力学直径(0.57 nm)作为孔径范围的划分尺度,发现PC-Ca0.2在甲苯分子直径1~3倍(0.57~1.71 nm)具有最高的孔容积,同时也具有最高的甲苯吸附容量(746.2 mg/g)。采用Weber-Morris颗粒内扩散模型分析甲苯吸附的速率控制步骤,发现吸附过程由内扩散和外扩散共同控制,PC-Ca0.2具有最大的吸附速率常数和最小的扩散边界层常数。因此,当多孔炭在甲苯分子动力学直径1~3倍内具有较大的孔容积时,其孔隙结构更有利于甲苯吸附过程的扩散传质。

基于Design-expert的醋酸纤维/煤基分级多孔炭制备优化

当前煤层气利用的主要方式是直接燃烧,该过程会产生大量温室气体(CO_(2))排放,且会造成稀缺资源的低附加值利用。为实现煤层气的高附加值利用,拟通过在煤中原位添加醋酸纤维和KOH活化的方法制备一种醋酸纤维/煤基分级多孔炭材料,并将其应用于煤层气直接裂解制氢,不仅可以获得高纯氢气,还能得到一定数量的纳米碳材料。醋酸纤维/煤基分级多孔炭在制备过程中需要考虑温度、碱碳质量比、溶剂量和其他碳源添加量对制备过程和转化率的影响,利用Design-expert软件对试验方案进行优化设计。通过响应曲面法和部分试验数据对各影响因素与转化率的关系进行分析,建立相应拟合回归方程,得出理论最优解。通过将最优解与试验结果进行对比分析,验证Design-expert软件在多因素多水平条件下的预测可靠性,同时也阐明最优条件下炭材料催化裂解煤层气的机理。结果表明,温度和碱碳质量比是醋酸纤维/煤基分级多孔炭制备过程的最大影响因素,建立相关因素与转化率之间的拟合回归方程并求出理论最优解。理论最优解与试验值之间的最大误差为3.05%,说明Design-expert软件对制备过程的优化准确可靠。醋酸纤维/煤基分级多孔炭催化裂解煤层气较原煤炭材料具有高的转化率和稳定性,前者反应后表面生成大量碳球,而后者表面则生成少量碳纤维和大量碳球。