微波一步法快速制备酶解木质素基活性炭的研究.pdf

摘 要 超级电容器作为一种储能器件，具有在短时间内进行充放电、循环寿命较长和比电容 值较高等特点，在电动汽车、电力储能、家用电器等领域具有广泛应用。活性炭材料具有 优良导电性能、较好的耐化学腐蚀性能、价格低廉、来源广泛等优点，在超级电容器用碳 电极材料中工业化应用较为成功。目前主要是利用生物质原料采用先加热炭化再进行化学 活化法或物理活化法制备得到活性炭，该工艺过程持续时间久，耗能多，效率低，大大延 长生产周期。 本研究以可再生生物质资源——酶解木质素为原料，采用微波一步法，引入吸波活化 剂 ZnCl2 制备生物质基活性炭，分析活化剂添加量、微波加热时间对活性炭结构及电化学 性能的影响。为进一步提高活性炭的性能，使用活化效果更优的KOH 作为活化剂，但KOH 和酶解木质素难以吸收微波，通过优化反应装置，引入湿化氮气，实现微波一步法 KOH 活化制备活性炭，分析了活化剂添加量与微波加热时间对活性炭微观结构及电化学性能的 影响。为简化反应装置，进一步研究引入碳基吸波材料辅助微波一步法制备活性炭，确保 KOH 活化效果并保持制备所得活性炭的性能，分析了碳基吸波材料添加量与微波加热时间 对活性炭微观结构及电化学性能的影响。最终，为能够进一步提高微波一步法制备的活性 炭的性能，利用CuCl2 活化制备Cu 掺杂的复合活性炭，利用金属Cu 与一价铜参与法拉第 氧化还原反应进一步提高活性炭作为电极材料的能量密度和功率密度。研究结果表明： （1）活化剂ZnCl2 具有吸收微波的性质，可以实现微波一步法将酶解木质素转化为活 性炭，制备时间只需10 min ，大大缩短活性炭的制备时间，降低能耗。扫描电镜 （SEM） 表征显示木质素基活性炭具有明显的三维网络结构。当微波加热时间为 10 min ，ZnCl2 与 2 木质素质量比为3:1 时，活性炭的比表面积最高仅842 m /g，这是由于在ZnCl2 活化过程中 主要由ZnO 起造孔作用，活化效果一般，比电容值在三电极体系测试中为148.3 F/g （电流 密度1A/g ），超级电容器的最高能量密度、功率密度分别为3.3 Wh/kg、1711.8 W/kg 。 （2 ）为进一步提高制备所得活性炭的性能，引入活化效果更好的活化剂KOH ，但KOH 难以吸收微波，为实现微波一步法，优化反应装置，引入湿化氮气，使反应顺利进行。微 波加热时间8 min ，KOH 与酶解木质素质量比为3:1，活性炭孔径结构分析显示，其比表 2 面积达到2482 m /g，比电容值在三电极体系测试下为338.0 F/g （电流密度1A/g ），超级电 容器的最高能量密度、功率密度分别为8.6 Wh/kg 、2249.0 W/kg 。 （3 ）为简化实验装置，同时实现微波一步法KOH 活化的反应，引入由酶解木质素为 前驱体制备所得的碳基吸波材料为微波吸收剂，实现酶解木质素到活性炭的一步转化，反 应中碳基吸波材料一并转化为活性炭，不需要对微波吸收剂进行额外处理，绿色环保。当 碳基吸波材料添加量为酶解木质素与吸波材料添加总量的5%，微波加热时间12 min ，活 2 性炭的孔径结构分析显示，比表面积达到2886 m /g，比电容值在三电极体系测试下为326.0 F/g （电流密度1A/g ），电容器的最高能量密度、功率密度分别为7.6 Wh/kg 、1913.0 W/kg 。 （4 ）进一步提高活性炭用做超级电容器电极材料的性能，采用活化剂CuCl ，实现微 2 波一步法将酶解木质素转化为 Cu 掺杂的复合活性炭，牺牲一部分孔径结构但增强了电化 i 学性能，最终产物不需要酸洗，当微波加热时间为10 min ，活化剂与酶解木质素的质量比 2 为4:1 时，样品比表面积为1170 m /g，比电容值在三电极体系测试下为696.0 F/g （电流密 度1A/g ），电容器的最高能量密度、功率密度分别为26.9 Wh/kg