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原文传递超级活性炭的制备、性质及在汽车能源中的应用初探

论文题名：	超级活性炭的制备、性质及在汽车能源中的应用初探
关键词：	超级活性炭;镁空气电池;汽车能源;气体扩散性能
摘要：	随着世界能源危机及环境问题的日益严重，寻找清洁、安全而又高效的新型能源是一个迫不及待的问题。汽车能源发展与研究更引起人们的关注，在新能源研究热潮当中，寻求开发一种清洁而可再生的汽车能源代替以往污染大的能源，逐渐成为人们的共识。氢能和电能以其清洁、可再生，使用便利，更是历来被人们所看好的能源。　　以氢为能源的氢燃料电池汽车具有能量补给时间短、无二次污染、续航里程远等优点，氢气的储存、释放与运输是氢燃料电池汽车开发的研究重点。从相关资料来看，气相储氢、化学储氢、压缩储氢、金属储氢，是当前储氢研究中较为热门几种的方式。但目前这几种方式都有如储氢材料昂贵、储氢率低等限制无法满足相关设备的使用要求。活性炭材料因其独特的孔状结构、价格便宜、来源广泛、研究空间广阔等优势可能成为较为理想的储氢材料，但其储氢率较低的短板让人惋惜。而较一般活性炭而言，超级活性炭的比表面积大，孔道结构也较为独特，为人们带来了丰富的余地，其结构与性能研究也受到人们的追崇。　　因超级活性炭的特殊孔道结构与性能，其作用在空气电池上的研究是电能源研究的一大重要研究点。金属-空气电池具有结构简单、成本经济、能量密度高等优点，在中小型运载工具、迷你电子设备、户外短期供电、军事等方面有着其广阔的研究前景。金属-空气电池中由于存在气体扩散性差、孔道堵塞等问题发展速度受到制约，超级活性炭在解决这些问题时可以发挥其独特的优势。在超级活性炭中，气体能以极大的扩散速度与特殊的孔道结构储存于释放，为气体扩散层制备研究以及空气电极的设计提供新的思路。　　本文以农副产品丝瓜络为实验原料，以KOH为活化剂，经过炭化、活化、酸洗、水洗等过程得到丝瓜络超级活性炭。以活化温度、升温速率、碱碳比、活化时间为变量因素，通过L16（54）的正交实验，并根据正交实验结果进行单因素对照实验，最终得到结构与性能良好的丝瓜络活性炭。以KOH溶液为电解液，每一组活性炭均经过恒流充放电实验及三电极循环伏安实验研究，根据实验结果得到性能最优的活性炭，其储氢容量高达490.24mAh/g。同条件下储氢性能最好的活性炭制备条件为：活化温度820℃、升温速率19℃/min、碱碳比为5:1、活化时间为70 min。将最终所得活性炭经过氮气吸脱附实验表征，其比表面积已达到超级活性炭级别，其数值为为3730m2/g，孔容为2.4199cm3/g，平均孔径为2.5945nm。　　为进一步研究上述所得超级活性炭的性质与吸附机理，以吸附亚甲基蓝为吸附剂，保持搅拌速度不变的情况下，以单因素变量法考察了初始浓度、活性炭投入量、吸附温度和吸附时间对活性炭吸附容量的影响。根据实验结果，我们发现：随着亚甲基蓝初始浓度的提高，活性炭对其吸附量逐渐增大，而消除率η降低；活性炭投加量和亚甲基蓝的消除率呈正相关，然而单位活性炭样品的吸附量与活性炭用量呈负相关；随着温度升高，活性炭对亚甲基蓝的吸附量先逐渐增大后逐渐减小；随着吸附时间的延长吸附量及吸附去除率也随着增加，但随之时间的延长，增长趋势也趋于平缓。在此基础上研究了超级活性炭对亚甲基蓝的吸附动力学及Langmiur等温吸附模型、Freundlish等温吸附模型研究，实验结果表明：丝瓜络活性炭吸附亚甲基蓝的过程与准二级动力学较为吻合；Langmiur等温吸附模型更能精准地描述亚甲基蓝在丝瓜络超级活性炭上的吸附平衡，且拟合度非常高。　　将上述所得超级活性炭用于一次镁空气电池当中，根据反应原理定制配套实验设备，对电池进行电化学测试并研究其性能。实验结果表明：在本实验体系中，一次性镁空气电池能长时间保持较高的开路电位，其数值在1.7 v左右；可接触面积在4.5cm2镁片上加5g镁粉能在本实验体系下以0.22mA/cm2的放电密度，能持续放电4h。电流密度对放电效果相关性研究，我们发现：随着放电电流密度的递增，电池比容量也随着减小；在电池放电电压为1.3v时，出现较为宽泛的放电平台。以超级活性炭制成的气体扩散层具有良好的气体扩散性能，实现了氧气的最大扩散，保证了电池的最大利用率。　　本文以丝瓜络为原材料制备了超级活性炭，以储氢性能为优化指标找出了超级活性炭的最佳制备条件，获得了制备成本低廉、表比面积非常之高、储氢性能特别优异的超级活性炭，研究了其吸附性能以及在镁空气电池中的应用前景。超级活性炭性能卓越制备方法简单、绿色、干净，这不仅为汽车能源发展提供了新的思路，也为推进汽车能源，工业化、产业化提供科学的数据支撑。
作者：	王业贵
专业：	化学
导师：	胡林
授予学位：	硕士
授予学位单位：	华东交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文