酸碱湿法低温活化气化细渣残炭及其电化学性能研究.pdfVIP

摘要

由于炭材料成本低廉、具有高比表面积和较大的孔隙率，因此在超级电容器电

极材料中被广泛使用。煤气化作为目前煤利用的主要方式之一，其过程中每年约产

生6000万吨气化渣固废，其中细渣占20~40%。细渣中富含未燃尽的残炭，若将其

通过低温活化制备炭电极材料，不仅可以实现气化细渣残炭的高附加值利用，而且

可以降低目前炭电极材料的原料成本。基于此，本文拟以某煤化工厂提供的气化细

渣残炭（RC）为原料，采用简单的低温湿法酸碱活化技术，通过调变反应温度，制

备出一系列活化材料，并对其结构和电化学性能进行对比研究，建立了活化条件与

材料结构及性能的关联。具体的研究成果如下：

（1）以RC为原料，使用2M的HNO3化学活化2h，考察活化温度（40℃、

60℃、80℃、100℃）对相应的活性电极材料（RCH-1、RCH-2、RCH-3、RCH-4）

的结构和电化学性能的影响。研究表明：采用HNO3活化处理后，电极材料的含氧

官能团增多，亲水性、碳含量和比表面积均增加。随着活化温度的升高，活化后的

电极材料的比电容呈现先增加后减小的趋势。当活化温度为80℃时，在0.5A/g电流

密度下，电极材料RCH-3的电化学性能较优，比电容为104F/g，是原料RC比电容

的2.9倍。该结果主要缘于掺杂含氮结构引入的电化学反应活性位点，以及孔结构

2

（比表面积662m/g，介孔比例86.006%）引起的电解质离子大量储存与快速传输。

（2）以RC为原料，采用5M的KOH对RC进行低温湿法活化6h，研究不同

活化温度（110℃、130℃、150℃、170℃）下制备的炭电极材料（RCK-1、RCK-2、

RCK-3、RCK-4）的结构及电化学性能。研究发现：KOH湿法活化可以有效去除原

料中的SiO2杂质及其他金属氧化物杂质，增加比表面积。随着活化温度的升高，活

化后的电极材料的比电容呈现先增加后减小的趋势。当活化温度为150℃时，制得

的RCK-3在电流密度为0.5A/g时，比电容值达到了109F/g。RCK-3电化学性能较

+

好的原因主要是K在炭层中的插层和碱性溶液对活泼碳刻蚀的协同作用调节了炭电

2

极材料的孔隙结构（比表面积754m/g，介孔比例80.332%），从而为电解质离子的

运输提供相互连接的通道。

（3）为了进一步提高材料的电化学性能，采用低温酸碱顺序联合活化方式，以

RCH-3为前驱体，使用5MKOH活化，探究不同活化温度（110℃、130℃、150℃、

170℃）下制备的炭电极材料（RCHK-1、RCHK-2、RCHK-3、RCHK-4）的结构及

电化学性能。研究结果表明：以5MKOH为活化剂反应6h，当活化温度为150℃

2

时，制得的RCHK-3具有更大的比表面积（775m/g）和更小的接触角（35.0°）。

在0.5A/g条件下，RCHK-3比电容为155F/g。通过调变酸碱活化顺序探究了产生该

结果的原因：HNO3预先活化增加了表面含氧官能团；KOH再次活化一方面可进一

步增加含氧官能团及比表面积，另一方面将HNO3预先活化引入的含氮结构去除产

生更多缺陷和电化学活性位点。

（4）将上述电化学性能较优的活化材料（RCH-3、RCK-3、RCHK-3）分别作

为活性电极材料组装成双电层电容器，均表现出较好的循环稳定性，其中RCHK-

3//RCHK-3的性能最优，循环10000次电容保持率为99.13%。通过近期文献对比，

电极材料RCHK-3具有原料低廉、活化条件温和、活化流程简短和电化学性能良好

的优势，为气化渣残炭的高附加值利用提供参考。

关键词：气化细渣；残炭；湿法活化；电化学性能