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活性炭是制备超级电容器电极的重要材料,以其低廉的价格、丰富的原料,稳定的电化学性能,在工业上的生产和应用历史源远流长。超级电容器的制备要求材料纯度高,比表面积大、电化学性稳定。本研究当中所用到的超级电容器用活性炭原料来自滑县大潮林物业有限公司,因制备工艺的限制,导致了活性炭产品中的钾离子含量过高,一般在3000mg/kg以上,这样在制备超级电容器电极时,容易引发电极自身的充放电现象,影响电容器寿命。进口产品虽然纯度高,但是价格昂贵。因此,对活性炭中钾离子进行有效的脱除,具有很好的实用价值和生产意义。
本课题的目的是制备出钾离子含量低、比表面积高的超级电容器用活性炭。实验开始前首先对反应机理进行了推测并对超声强化解吸机理进行探究,自行研究并设计了活性炭中钾离子的纯化工艺路线,并用不同种类的酸对钾离子的脱除效果进行对比,初步确定了适用于本工艺纯化活性炭用的酸。
为了能够准确的对活性炭样品中的钾离子进行测定,本文对钾离子的不同测试手段进行了研究和对比。结果发现原子吸收光谱法最适用于本研究当中活性炭残余钾离子的测定,原子吸收光谱法主要适用于组分中微量及痕量的测定,测定范围可达10-6g/L。
本文利用简单的几组单因素实验,考察了纯化结果的几个影响因素后,设计了相应的正交实验表,研究了酸的浓度及用量,反应温度,超声解吸温度及洗涤次数等对实验结果的影响。结果显示,反应温度和酸的浓度是主要影响因素。实验对纯化工艺进行了优化,制备出了钾离子含量在72mg/kg的活性炭。并通过扫描电镜(SEM)分析仪和比表面及有效孔径(BET)分析仪对活性炭处理前后的微观结构进行观察,发现经过处理的活性炭孔径没有遭到破坏,且处理后的活性炭有效比表面积得到增加,1318.61m2/g增加至1513.18m2/g,这也对活性炭的性能得到了进一步的优化。
本文还利用适用于一般固体颗粒中钾离子解吸动力学的四个方程,Elovich方程:qt=a+blnt,一级动力学方程:ln(1-qt/qe)=-k。t,指数方程:lnqt=lna+blnt和抛物线扩散方程:qt=a+b√t对活性炭中钾离子的解吸过程进行了模拟,拟合结果如下:Elovich方程的拟合关系最好,r=0.994;一级动力学方程次之,r=0.992,指数方程和抛物线方程的拟合结果一般,两者r均为0.973。