活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　活性炭的電物理性質和熱容

　　活性炭具有多種物理化學特性，因此是生產電容器(包括超級電容器)最常用的材料之一。作為一種電極材料，活性炭具有許多優點，使其在電子設備中的應用具有吸引力。活性炭由于其微孔結構和眾多的孔隙而具有非常高的表面積。這為其提供了大面積的電解質離子吸附，從而導致電容器的電容增加。活性炭的高導電性有助于充電和放電過程中電子的有效傳輸。此外，活性炭具有化學穩定性，保證了電極的較長使用壽命和電容器的可靠運行。

　　熱容量測量方法

　　活性炭樣品熱容的溫度依賴性是在串行量熱計上在298.15–448K的溫度范圍內測量的。實驗以每秒約0.1K的平均速度對樣品進行單調、接近線性的加熱，樣品和介質之間的溫差為3-30K。由于存在這樣的溫差，溫度滯后測量熱量表上的時間。在一項實驗中，確定了所研究參數的溫度依賴性。該設備的測量電路使用直流電位計和設備內置的開關，在25℃后的固定點提供100至400℃的溫度水平測量。熱量計是一個熱通量轉換器，它提供流量測量，均衡樣品的表面溫度，并可以直接在熱塊中進行校準以解決誤差。全溫度范圍內的測量和實驗數據處理的持續時間不超過2.5小時。設備根據護照數據的允許誤差限度為±10.0%。該裝置的工作原理基于動態熱量計與熱量計的比較方法。將測試樣品放入測量池的金屬安瓿中，并用流經熱量計的熱流連續加熱。每加熱25℃，使用微伏安計測量安瓿溫度相對于基礎溫度的時間延遲。

　　從實驗數據可以看出，煤粉的熱容呈單調增加趨勢。根據獲得的數據，煤粉的熱容Cp[J/(g·K)]與溫度的關系方程將具有以下形式：Cp=(0.196±0.011)+(1.98±0.11)×10−3T+(0.021±0.001)×105T−2對于所考慮的溫度區間，平均隨機誤差值用于確定相關方程Cp~f(T)中系數的誤差。煤粉和活性炭的圖形依賴性Cp~f(T)煤粉和活性炭如圖1所示。

　　圖1：煤粉和活性炭的Cp~f(T)的圖形依賴性。

　　從圖1所示的實驗數據可以看出，323K時的活性炭樣品在依賴曲線Cp~f(T)上具有熱容跳躍，這與第二類相變相關。應該強調的是，熱容對溫度的依賴性曲線上323K的相變可以在一定程度上歸因于相對介電常數對溫度的依賴性曲線上從半導體到金屬電導率的轉變溫度和電阻隨溫度的變化，這也表明了這種相變的性質。

　　電物理特性測量結果

　　電物理性質(介電常數和電阻)的研究是通過在串行設備上以1kHz的工作頻率在干燥空氣中以恒溫模式連續測量樣品的電容來進行的。每個固定溫度下的時間。此前，平面平行樣品是用粘合劑添加劑(約1.5%)制成直徑為10毫米、厚度為5-6毫米的圓盤形式。壓制在20kg/cm2的壓力下進行。所得圓盤在實驗室爐中在400℃下燒制6小時。然后，對它們進行徹底的雙面研磨。

　　介電常數是根據樣品厚度和電極表面積已知值時樣品的電容確定的。為了獲得電感應D和電場強度E之間的關系，使用了ST方案。D(E磁滯回線)的目視觀察是在示波器上進行的，其分壓器由6mOhm和700kOhm的電阻以及0.15UF的參考電容器組成。發電機的頻率為300赫茲。在所有溫度研究中，樣品均置于烘箱中，通過連接至電壓表的鉻鎳合金熱電偶測量溫度，誤差為±0.1mV。溫度變化速率約為5K/min。

　　對于活性炭，介電常數會下降至343K的溫度，這可能是由于加熱導致水分去除所致。多芳烴中C=C鍵的存在以及C-O和O-H官能團，以及比焦炭粉更大的孔隙率，也會導致介電常數的變化。在之前的研究中，根據紅外光譜的結果，發現活性炭中存在與多環芳烴中的C=C鍵(1604.97cm-1)和R-OH鍵的波動相對應的高強度吸收帶羥基、羧基和酚類化合物(在3437.57cm-1)。這些基團可能是蒸汽活化的結果，因為水蒸氣具有高活性，這也有助于形成大量中孔。此外，根據活性炭中氧化碳的含量，其電阻也會發生變化。在這項研究中，我們發現焦炭粉的蒸汽活化導致中孔和大孔數量增加，BET方法的結果如圖2所示。

　　圖2：煤粉和活性炭的吸附等溫線。

　　活性炭的電物理性質和熱容，在293–463K范圍內，研究了焦炭粉和活性炭的電物理特性的溫度依賴性。通過比較介電常數和電阻對溫度的依賴性數據，發現活性炭在323K時熱容的跳躍與導電類型的變化有關。另外，如果對于從植物原料中獲得的煤來說，隨著溫度的升高，介電常數有降低的趨勢，那么本研究發現，以往研究中獲得的活性炭具有介電常數變化的模糊特征。介電常數與官能團和中孔的存在相關，其增加是由于熱化學暴露于水蒸氣而發生的。因此，活性炭可以被認為是獲得冷凝器技術材料的有前途的原材料。介電特性隨溫度和頻率變化而變化的材料可用于制造具有某些特性的電容器。例如，此類材料可用于制造熱敏電容器，其電容根據溫度而變化。這在某些需要根據環境溫度進行容量監控的應用中非常有用。此外，具有可變介電特性的材料可用于制造電容隨頻率變化的專用電容器。此類電容器可用于各種濾波方案或創建具有不同頻率特性的設備。

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