活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　一般制造基于雙層的超級電容器中的電極用的活性炭材料是使用沸石模板化制造的，因為沸石作為模板能做出具有規則排列的微孔的三維連接的活性炭。由于互連性，這種活性炭具有高電導率并且對于要求高導電率和電容的應用具有吸引力。使用氫氧化鈉進行水熱處理時，沸石有時會溶解并重結晶。并且這種制造方法會存在鉿具有安全隱患，限制了工業化的選擇。我們通過在硅鋁磷酸鹽的微孔空隙內沉積和熱解丙烯并隨后通過用氯化氫和氫氧化鈉處理除去模板來制備微孔活性炭。碳具有高表面積和大微孔和超微孔體積。產率，結晶度，形態和吸附性能與結構相關的沸石模板碳的那些相比較。與不需要鉿去除的硅鋁磷酸鹽模板活性炭對比，后者更適合工業使用。

　　兩種模板制造的活性炭X射線衍射圖譜

　　圖1顯示了制備的硅鋁磷酸鹽模板，模板活性炭復合材料和活性炭的粉末X射線衍射(PXRD)圖案。從圖1a中可以看出，制成的硅鋁磷酸鹽具有FAU結構的典型特征圖案，具有典型的高結晶度材料的窄峰和強峰。使用純硅鋁磷酸鹽和沸石模板成功制備活性炭，如下所示。所述PXRD峰的位置朝向為硅鋁磷酸鹽活性炭復合物的角度較大，這表明硅鋁磷酸鹽框架是井在丙烯化學氣相沉積之后保留在活性炭復合材料中但單元電池在熱處理時略微收縮。

　　圖1：兩種模板化活性炭X射線衍射圖譜。

　　使用電子顯微鏡觀察活性炭的形態

　　模板化活性炭的粒子形態與理解形成機制以及可能的應用有關。掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)用于研究形態，結果如圖2所示。硅鋁磷酸鹽和硅鋁磷酸鹽為模板的活性炭的晶體具有八面體形狀(圖2b、d)。對于硅鋁磷酸鹽模板，硅鋁磷酸鹽模板化活性炭的平均粒徑為1180nm，小于1690nm，這歸因于熱處理期間硅鋁磷酸鹽原子收縮，如XRD峰移位所討論的。對于圖2中的沸石及其相應的沸石模板化活性炭，觀察到類似的發現。沸石的平均晶體尺寸小于硅鋁磷酸鹽的晶體尺寸(比較圖2a，b中的特征)。同樣，沸石晶體的形態在沸石模板化的活性炭中也是保守的。

　　圖2：幾種材料的掃描電子顯微鏡圖像和粒度分布，透射電子顯微鏡圖像和粒度分布，高分辨率TEM圖像。

　　活性炭的電子能量損失光譜

　　電子能量損失光譜(EELS)可用于確定石墨化程度或活性炭材料中sp 2/sp 3碳的分數。在這次測試中，通過分析碳離子化邊緣的近邊緣精細結構，通過EELS估算活性炭的sp 2/sp 3碳的分數。圖3中碳K邊緣區EELS光譜帶的反卷積強烈表明硅鋁磷酸鹽模板化活性炭具有較高的sp 2/sp 3分數比沸石模板化的活性炭類似物如下所示。

　　圖3：碳邊緣區域中的硅鋁磷酸鹽和沸石板化活性炭的EELS光譜中的帶的解卷積。

　　兩種模板化制造活性炭的EELS光譜在圖3顯示。這兩條曲線的sp 2/sp 3碳的分數已經顯示出與碳原子的雜化有關，并且一系列高斯峰被擬合到下的去卷積。定量計算表明，硅鋁磷酸鹽模板化活性炭的光譜在兩個峰之間具有統計學上更高的比率，與無定形碳相比，這兩種活性炭的sp 2/sp 3碳具有更高比例。

　　活性炭的孔徑分布

　　圖4中顯示的活性炭孔徑分布是在狹縫形孔隙的假設下通過密度泛函理論方法計算的。對于沸石模板化活性炭，硅鋁磷酸鹽模板化活性炭具有幾乎相同的微孔和超微孔分布。來自-196℃的氮吸附數據顯示在圖4a中。從這些跡線可以看出，與沸石模板化活性炭相比，硅鋁磷酸鹽模板化活性炭具有1-2nm范圍內的類似孔徑。超小型微孔來自在0℃下記錄的二氧化碳吸附數據。如圖4b所示，硅鋁磷酸鹽模板化活性炭具有比沸石模板化活性炭更大量的0.4-0.7nm范圍內的超微孔。

　　圖4：(a)在-196℃下記錄的氮吸附數據和(b)在0℃下記錄的二氧化碳吸附數據計算的活性炭孔徑分布。

　　經過研究合成了具有硅鋁磷酸鹽模板內部微孔的微孔活性炭。硅鋁磷酸鹽模板化制造的活性炭具有高比表面積，大微孔體積和大量超小孔微孔。具有定義明確且僅有微孔的特性，對于某些氣體分離過程非常重要，其中動力學分離或甚至分子篩分非常重要，并且具有比在常規活性炭中制備的活性炭有著更高的電導率。它具有電化學應用和超級電容器的潛力。與常規活性炭相比具有與近期研究的沸石模板活性炭相似的優點，但硅鋁磷酸鹽模板可以在不使用鉿的情況下去除，這可能對其工業適應產生有著積極影響。作為微孔硅鋁磷酸鹽骨架材料具有多種結構，我們期望進一步選擇制備具有新結構和功能的相對寬范圍的多孔模板碳和活性炭。

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