礦物前驅體中硫酸鹽及單質硫對活性炭超電容行為的影響.pdf

1、超級電容器又稱電化學電容器，由于其具有充放電速度快、功率密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，廣泛應用于各種電子產品的備用電源以及混合動力汽車的輔助電源。在超級電容器的研究中，高性能電極材料的開發(fā)是超級電容器主要的研究目標?；钚蕴?AC)由于其良好的導電性、高的比表面積、穩(wěn)定的化學性質、可控的孔結構及低廉的價格等優(yōu)勢，一直是制造超級電容器電極的首選材料。
　　礦物質，如煤、石油焦(PC)、瀝青等含碳量高，資源豐富，價格低廉，是制備超級電容器用

2、AC的優(yōu)良前驅體。然而，礦物質中普遍存在含硫物質，且含硫物質會對制得AC的孔結構及其超電容行為產生影響。因此，有必要系統(tǒng)的展開對礦物質前驅體中硫含量及形式對AC孔結構性能及其電容性能的影響研究。礦物質前驅體中的硫按照種類可分為有機硫、無機硫和單質硫。本論文主要以無機硫中硫酸鹽和單質硫作為考察對象，以研究硫酸鹽和單質硫對AC孔結構及其電容性能的影響規(guī)律，從而為含硫類礦物質用作儲能用AC的前驅體提供數(shù)據及理論基礎。
　　本文通過向PC

3、中分別加入無機硫酸鹽(K2SO4、FeSO4、CaSO4)及單質S的形式合成含硫模擬前驅體(ASCPs)，并采有KOH高溫堿活化法制備AC。ASCPs保證了單因素研究前驅體中含硫物對AC超電容行為影響的準確性和科學性。主要研究內容及結論如下:
　　(1)分別研究了前驅體中典型無機硫酸鹽K2SO4、FeSO4及CaSO4對AC孔結構及其電容性能的影響規(guī)律。結果表明:1）ASCPs中K2SO4可積極參與AC活化反應，并且在AC活化過程

4、中起到了助活化作用，即ASCPs中K2SO4增大了AC樣品的比表面積與孔結構參數(shù)，進而增強了AC樣品的靜電容性能。2）ASCPs中CaSO4在活化過程中的反應參與度較小，即僅有少部分的CaSO4可參與AC活化反應，而大部分的CaSO4會在水洗過程中轉化為CaCO3沉淀殘留于AC樣品中。AC樣品中由于含有大量的CaCO3，導致了其孔結構性能及電容性能的降低，即ASCPs中CaSO4對AC樣品的孔結構性能及其電容性能產生了負面影響。3）AS

5、CPs中FeSO4在AC制備過程中具有兩面性，一方面FeSO4可積極參與AC活化反應并消耗活化劑KOH的量，從而導致實際用于AC拓孔用KOH量的減少，進而降低了AC樣品的孔結構性能及其電容性能;另一方面FeSO4中的硫在活化過程中可發(fā)生硫轉化，即前驅體中無機硫(+6)可轉化為AC上的有機硫醚，而有機硫醚官能團的生成可作為氧化還原反應的活性點，為AC提供一定量的氧化還原贗電容，從而有利于提升AC電容性能?？傊?，對于富含硫酸鹽的礦物質前驅體

6、而言，要盡可能保留K2SO4，以充分利用K2SO4在AC活化過程中起到的助活化作用。而CaSO4應該嚴格的加以分離后去除，以降低CaSO4對AC電極電容性能產生的負面影響。FeSO4應盡可能發(fā)揮其正面作用，即根據其硫轉化機制，將前驅體中無機硫轉化為AC中的有機硫醚，從而貢獻于AC贗電容。
　　(2)系統(tǒng)研究了前驅體中單質S對AC孔結構性能及其電容性能的影響規(guī)律。結果表明:ASCPs中單質S與KOH發(fā)生了反應，從而消耗了活化劑KOH

7、的量，進而造成了AC拓孔不足，最終降低了AC樣品的孔結構性能及其電容性能。但值得注意的是，單質S在活化過程中可被轉化為K2S2O3、K2SO4以及可貢獻贗電容的有機含硫官能團硫醚。因此，從單質S可被轉化為硫醚的角度來講，單質S對AC電容性能也具有有益的一面?？傊?，對于含單質S的礦物質前驅體而言，一方面要利用其可被轉化為硫醚的有利一面，另一方面可適當增加活化劑KOH的量，以彌補與單質S反應而消耗的KOH量，進而使AC得以充分活化并獲得發(fā)達