續(xù)士勇 岳勁松 程 園 程嗣丹 丁 寧 李 梅，2，3

(1.北方民族大學化學與化學工程學院，750021 銀川；2.北方民族大學寧夏太陽能化學轉化技術重點實驗室，750021 銀川；3.北方民族大學國家民委化工技術基礎重點實驗室，750021 銀川)

0 引 言

活性炭是一種含有豐富的孔隙結構的炭材料，具有組織良好的大孔、中孔和微孔。由于活性炭比表面積大、孔體積大，廣泛用于分離、凈化、脫臭、脫色和過濾，可以作為吸附劑[1]去除SO2、NOx、焦油[2]和用于CO2吸附[3-4]?；钚蕴靠梢杂擅篬5]、聚酯織物[6]和廢棄輪胎[7]等材料制成。我國褐煤資源儲量豐富、價格低廉，且褐煤具有表面官能團豐富、結構疏松、反應活性高等優(yōu)點，可作為原料來制備多孔活性炭。煤基活性炭在催化劑載體和吸附分離方面已有應用，在電容脫鹽方面具有很大的應用前景[8]。

錢科等[9]采取先炭化后活化的方法制取煤基活性炭，當堿炭的質量比為3∶1時，活性炭的比表面積為1 672 m3/g，總孔體積為0.75 cm3/g，50 000次循環(huán)后的比電容保持率為98.7%。丁賽賽等[10]以無煙煤為原料，采用預炭化的方法制備出吸附性能良好的活性炭，該活性炭吸附15 min時對甲基橙的吸附率即達89.6%。張傳祥等[11]以KOH為活化劑，以太西無煙煤為前驅體，制備出比表面積高達3 059 m3/g且富含中孔的活性炭，該活性炭在3 mol/L的KOH電解液中具有高的比電容(322 F/g)、優(yōu)異的循環(huán)性能及低的漏電流(0.66 mA)。張勁斌等[12]以煤瀝青和椰殼為碳源，采用以KOH為活化劑的化學活化法制備活性炭，制備出的活性炭的比表面積分別為3 104.15 m3/g和2 954.99 m3/g，孔徑范圍為0.5 nm～2.7 nm，以微孔和介孔為主。

對原煤進行脫礦物質處理后，原煤中礦物質含量降低，使得制備出的活性炭的灰分降低，同時可以調整活性炭的孔徑分布。對于雙電層電容器的電極材料，較低的灰分有利于電荷傳遞，較低灰分電極材料的充放電性能及倍率性能更佳[13]。

上述學者們通過以KOH為活化劑的化學活化法制備出性能優(yōu)良的活性炭，但是對于同一種煤，分別用其制備的脫礦物質煤和半焦制備活性炭，對兩種活性炭比表面積和孔徑分布的差異研究較少。本研究以HCl-HF法脫礦物質處理后的云南蓮花塘褐煤和內蒙古白音華褐煤以及兩種脫礦物質褐煤制備的褐煤半焦為原料，以KOH為活化劑的化學活化法來制備褐煤基活性炭，并將其作為電極材料，考察其電化學性能，探究褐煤基活性炭作為超級電容器電極材料的可行性。

1 實驗部分

1.1 實驗煤樣和半焦

實驗所用煤樣為云南蓮花塘褐煤和內蒙古白音華褐煤，先將煤樣破碎、篩分，選取粒徑小于74 μm樣品，然后用HCl-HF法對煤樣進行脫礦物質處理，蓮花塘原煤和白音華原煤分別記為LHT-raw和BYH-raw，脫礦物質后的蓮花塘褐煤和白音華褐煤分別標記為LHT和BYH。稱取2 g脫礦物質后的褐煤放入剛玉舟中，然后放置到管式爐的恒溫區(qū)先進行炭化處理。管式爐升溫速率為5 ℃/min，N2流量為100 mL/min，炭化終溫分別為700 ℃，800 ℃，900 ℃，達到設定終溫后保溫120 min，自然冷卻至室溫后得到褐煤半焦。蓮花塘褐煤半焦和白音華褐煤半焦分別記為LHT-t和BYH-t(t為炭化終溫，700 ℃表示為700，800 ℃表示為800，900 ℃表示為900)。煤樣的工業(yè)分析和元素分析如表1所示。

表1 煤樣和半焦的工業(yè)分析和元素分析Table 1 Proximate and ultimate analyses of coal and char samples

1.2 活性炭的制備

以脫礦物質后的褐煤為原料，以KOH為活化劑的化學活化法制備活性炭：將KOH與2 g脫礦物質煤分別以堿煤質量比為3∶1和4∶1混合均勻后放入剛玉舟中，之后將其放置到管式爐恒溫區(qū)進行預處理。管式爐升溫速率為5 ℃/min，N2流量為100 mL/min，炭化終溫分別為700 ℃，800 ℃，900 ℃，達到設定終溫后保溫120 min，自然冷卻至室溫。制備出的活性炭用2 mol/L的稀鹽酸中和，除去殘余的活化劑，然后用去離子水洗滌至濾液pH值呈中性，將樣品烘干后密封保存。該方法制備出的活性炭分別命名為LHT-AC-X-t和BYH-AC-X-t(X為堿煤質量比，其值為3或4。t為炭化終溫，700 ℃表示為700，800 ℃表示為800，900 ℃表示為900)。

以褐煤半焦為原料，以KOH為活化劑的化學活化法制備活性炭：將KOH與2 g褐煤半焦分別以堿炭質量比為3∶1和4∶1混合均勻后放入管式爐進行活化處理?；罨纳郎厮俾省2流量、炭化終溫、保溫時間均與炭化的條件相同。制備出的活性炭除去殘余活化劑的方法與以脫礦物質后的褐煤為原料制備活性炭除去殘余活化劑的方法相同。制備的活性炭樣品分別命名為LHT-CA-Y-800和BYH-CA-Y-800(Y為堿炭質量比，其值為3或4。炭化終溫為800 ℃)。

1.3 活性炭電極的制備

將活性炭、乙炔黑和聚偏二氟乙烯(PVDF)按照質量比為8∶1∶1溶解在適量的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中，經磁力攪拌器攪拌混合均勻后，將樣品均勻地涂抹在1 cm×1 cm導電片上，待干燥后稱重使用。

1.4 扣式電容器的制備

將活性炭、黏結劑、導電劑按照質量比為8∶1∶1混合，黏結劑為聚四氟乙烯，導電劑為乙炔黑。稱取30 mg的活性炭、3.75 mg的黏結劑、3.75 mg的乙炔黑，加入適量的去離子水，在研缽中研磨均勻后將其涂抹在泡沫鎳上，將涂抹完的泡沫鎳放入真空干燥箱于100 ℃干燥6 h，以去除多余水分。待泡沫鎳涂層干燥后，開始組裝扣式電容器，電容器組裝順序為：先將干燥好的泡沫鎳放入正極電池殼再放隔膜(聚丙烯膜)，再放干燥好的泡沫鎳，然后放墊片加彈簧片，滴加適量的6 mol/L的KOH電解質溶液，蓋負極電池殼。再用10 MPa的壓力，在液壓封口機上進行封口，保持30 s后，卸壓可得到扣式電容器。

1.5 活性炭的表征

采用美國Micromeritics公司生產的ASAP 2460比表面積與孔隙度分析儀(BET)表征活性炭的比表面積及孔結構的變化。稱取一定量活性炭放入樣品管中，在160 ℃真空條件下脫氣6 h，樣品管中的樣品經脫氣處理后在液氮環(huán)境中分析，對活性炭表面積(SBET)、孔體積(Vp)和平均孔徑(Dp)進行測定，并用BET方程進行分析。

采用日本Rigaku公司生產的RINT-2000型X射線衍射儀(XRD)表征脫礦物質煤及活性炭結構。以Cu靶為射線源，電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描范圍為10°～80°，掃描速率為2°/min。

使用美國Thermo Fisher公司生產的ESCALAB Xi+型X射線光電子能譜儀(XPS)表征脫礦物質煤和活性炭中元素形態(tài)的變化。掃描射線源為Al靶，通過能為30 eV，能量分辨率為0.45 eV，測試壓力為6×10-7Pa，本底壓力為2×10-8Pa，以C 1s(284.8 eV)為標準進行峰位置校準。

利用德國ZEISS公司生產的EVO 10 鎢燈絲掃描電子顯微鏡(SEM)表征活性炭表面微觀形貌的變化，測試電壓為15.00 kV。

1.6 活性炭的電化學性能測試

使用上海辰華儀器有限公司生產的CHI660E電化學工作站，對活性炭電極進行循環(huán)伏安特性(CV)、充放電特性(GCD)和交流阻抗特性(EIS)分析。在三電極體系，電解液為6 mol/L的KOH溶液，輔助電極為金屬鉑片，Hg/HgO為參比電極，工作電極為活性炭電片。

實驗用CT3001A藍電電池測試系統(tǒng)測試扣式電容器的電容保持率。

2 結果與討論

2.1 不同制備條件下活性炭的孔結構

不同制備條件下活性炭的比表面積及孔結構如表2所示。由表2可以看出，以LHT為原料、KOH為活化劑、堿煤質量比相同的情況下，在炭化終溫為800 ℃制備出的活性炭比炭化終溫為700 ℃制備出的活性炭的比表面積、孔體積、平均孔徑均增大。當溫度進一步升高至900 ℃時，活性炭的比表面積減小，孔體積減小，平均孔徑增大。這是由于溫度過高，部分孔出現塌陷甚至串孔。在炭化終溫相同的情況下，堿煤質量比由3∶1增大到4∶1時，活性炭比表面積、孔體積、平均孔徑均增大。

表2 不同制備條件下活性炭的比表面積及孔結構Table 2 Specific surface area and pore structure of activated carbons under different preparation conditions

對于同一種脫礦物質褐煤而言，相同的炭化終溫、相同堿煤(炭)質量比下，以褐煤為原料制備的活性炭與以褐煤半焦為原料制備的活性炭相比，比表面積、孔體積和平均孔徑均較大。用褐煤制備的活性炭的收率為29.0%～35.6%，用褐煤半焦制備的活性炭的收率為50.7%～53.5%。

由表2還可以看出，以脫礦物質褐煤為原料，在堿煤質量比為4∶1、炭化終溫為800 ℃時制備的活性炭比表面積和孔體積最大。其中，LHT-AC-4-800的比表面積為2 728 m3/g，孔體積為1.58 cm3/g，平均孔徑為2.31 nm；BYH-AC-4-800的比表面積為1 824 m3/g，孔體積為1.00 cm3/g，平均孔徑為2.19 nm。由表1可以看出，LHT與BYH相比，LHT固定碳的質量分數較大，揮發(fā)分的質量分數相對較低，在制備活性炭的過程中，這有利于孔的形成，故LHT-AC-4-800比BYH-AC-4-800的比表面積、孔體積、孔徑均大一些。這兩種活性炭比表面積大，有利于吸附電荷，故后面制備電極選用這兩種活性炭作為電極材料。

不同制備條件下N2在活性炭孔隙中的吸脫附曲線如圖1所示。由圖1可以看出，炭化終溫對孔隙的吸附量產生了顯著的影響。對于以褐煤半焦為原料制備的活性炭，炭化終溫為800 ℃時，隨著堿炭質量比由3∶1增加到4∶1，孔隙吸附量也隨之增大。對于以脫礦物質褐煤為原料制備的活性炭，在堿煤質量比為4∶1、炭化終溫為800 ℃時制備的活性炭的孔隙吸附量明顯高于在炭化終溫為700 ℃和900 ℃條件下制備的活性炭的孔隙吸附量。由圖1還可以看出，以脫礦物質褐煤為原料，在堿煤質量比為4∶1、炭化終溫為800 ℃時，制備的活性炭吸附性能最好。不同的炭化終溫下的吸脫附曲線在趨勢上大同小異，在相對壓力(吸附溫度下，吸附質(N2)平衡時的壓力與吸附質飽和蒸汽壓力之比，p/p0)小于0.1時，隨著相對壓力增大，曲線迅速上升，待上升至一定程度后，活性炭的吸附曲線趨于飽和，吸脫附曲線可以判定為Ⅰ型等溫線，呈現出典型的微孔活性炭吸附特性[14-15]，說明所制備活性炭的微孔結構十分豐富。

圖1 不同制備條件下N2在活性炭孔隙中的吸脫附曲線Fig.1 Adsorption and desorption curves of N2 in activated carbon pores under different preparation conditions

不同制備條件下利用LHT制備的活性炭的孔徑分布如圖2所示。由圖2可以看出，利用LHT在不同制備條件下制備的活性炭，直徑小于4 nm的孔占絕大部分。以褐煤半焦為原料制備的活性炭，其孔徑主要集中在1 nm～3nm，中孔很少。以LHT為原料制備的活性炭，其孔徑主要集中在1 nm～8 nm，微孔和中孔同時存在。其中，LHT-AC-4-800的微孔率為12.47%?；钚蕴吭谧鲭姌O材料時，存儲電荷主要依靠電解液進入活性炭微孔孔隙中形成的雙電層，中孔的作用是在電解液擴散時為離子提供通道，促進充放電過程中離子快速地通過孔道[16]。在微孔大量存在的情況下，伴隨著存在一些中孔，這有利于提高活性炭電極的電化學性能。

圖2 不同制備條件下利用LHT制備的活性炭的孔徑分布Fig.2 Pore size distributions of activated carbons prepared from LHT under different preparation conditions

2.2 活性炭的微觀形貌

采用LHT為原料，堿煤質量比為4∶1、炭化終溫分別為700 ℃，800 ℃，900 ℃條件下，制備的活性炭的SEM照片如圖3所示。由圖3可以看出，炭化終溫為800 ℃時，利用LHT制備的活性炭炭孔的數量顯著多于700 ℃和900 ℃下制備的活性炭炭孔的數量。當溫度在700 ℃～800 ℃時，通過氧化還原反應生成的K2O和K2CO3可以適度地腐蝕碳骨架。這樣，不僅在表面存在大量的微孔，而且在內部也會產生大量孔，在800 ℃時，有較多的微孔和中孔，因此最優(yōu)的炭化終溫為800 ℃[17]。在800 ℃下，活性炭表面凹凸不平，孔隙大小不一，排列緊密，此結構有助于電解質離子滲透到材料中[18]。由此可見，煤樣與KOH進行活化處理后再炭化可以制備出孔結構豐富的活性炭材料。

圖3 不同炭化溫度下LHT制備活性炭的SEM照片Fig.3 SEM photos of activated carbons prepared from LHT at different carbonization temperaturesa—LHT-AC-4-700；b—LHT-AC-4-800；c—LHT-AC-4-900

2.3 活性炭結構

不同脫礦物質褐煤及其在最優(yōu)炭化工藝條件下(堿煤質量比為4∶1、炭化終溫為800 ℃)制備的活性炭的XRD譜如圖4所示。由圖4可以看出，LHT和BYH在衍射角為22°和43°附近存在衍射峰，這兩個衍射峰與石墨結構的002晶面和100晶面的衍射峰相對應，表明LHT和BYH中存在石墨微晶結構[19]。LHT-AC-4-800和BYH-AC-4-800的002晶面衍射峰強度與LHT和BYH的002晶面衍射峰強度相比均明顯減弱，說明活性炭中較為規(guī)則的片層晶體結構被破壞，出現無定形碳結構，100晶面衍射峰強度變化不明顯。這是由于活化劑KOH有較強的刻蝕能力，不僅與活性炭表面發(fā)生反應，也與活性炭內部發(fā)生化學反應，從而產生豐富的孔隙結構，使得活性炭002晶面衍射峰趨于平緩，活性炭的石墨化程度有所降低。

圖4 不同脫礦物質褐煤及其制備的活性炭的XRD譜Fig.4 XRD spectra of different demineralized lignites and activated carbons prepared from them

2.4 活性炭的XPS分析

圖5 不同脫礦物質褐煤及其制備的活性炭的XPS全譜Fig.5 XPS full spectra of different demineralized lignites and activated carbons prepared from them

表3 XPS全譜中脫礦物質褐煤及其制備的活性炭的各元素相對含量(%)Table 3 Relative contents of various elements of demineralized lignites and activated carbons prepared from them in XPS full spectra(%)

圖6 不同脫礦物質褐煤及其制備的活性炭的XPS C1s譜Fig.6 XPS C 1s spectra of different demineralized lignites and activated carbon prepared from thema—LHT；b—LHT-AC-4-800；c—BYH；d—BYH-AC-4-800

表4 XPS譜中脫礦物質褐煤及其制備的活性炭的炭形態(tài)及相對含量Table 4 Carbon form and relative contents of demineralized lignites and activated carbons prepared from them in XPS spectra

2.5 活性炭電極的電化學性能

2.5.1 循環(huán)伏安特性

不同活性炭電極在5 mV/s，10 mV/s，20 mV/s，50 mV/s，100 mV/s掃描速率下的循環(huán)伏安曲線如圖7所示。由圖7可以看出，LHT和BYH在最優(yōu)條件下制備的活性炭LHT-AC-4-800和 BYH-AC-4-800的循環(huán)伏安曲線基本接近于矩形，表現出良好的雙電層電容特性，靜電吸附是該材料的主要儲能方式。隨著掃描速率增大，循環(huán)伏安曲線出現變形，曲線沒有出現明顯氧化還原峰，曲線偏離標準矩形，拐角處稍微上翹，這可能是內部微弱的法拉第電子轉移或電極內阻影響的結果[22]。隨著掃描速率由小變大，循環(huán)伏安曲線矩形面積逐漸增大，表明其電容也逐漸增大[9]。循環(huán)伏安曲線雖然由于極化作用偏離理想的矩形，但依然保持良好的矩形特征，表明LHT-AC-4-800電極材料和BYH-AC-4-800電極材料都具有良好的可逆性和電容特性。影響靜電吸附的關鍵因素是活性炭的比表面積和孔徑分布，充足的吸附活性位點依靠大的比表面積提供，離子的擴散與遷移依靠適宜的孔徑尺寸分布，從而來提高電容。對于樣品LHT-AC-4-800，其比表面積達2 728 m3/g，且孔徑在2 nm～4 nm居多，故其有較好的電容特性。不同活性炭制備的扣式電容器的循環(huán)壽命如圖8所示。由圖8可以看出，在1 A/g的電流密度下，循環(huán)8 000次后，電容器壽命沒有發(fā)生明顯的變化，電容保持率仍達到99.87%，證明所制備的煤基活性炭有良好的電化學性能。

圖7 不同活性炭電極在5 mV/s～100 mV/s掃描速率范圍內的循環(huán)伏安曲線Fig.7 Cyclic voltammetry curves of activated carbon electrodes at the scan rates ranging from 5 mV/s to 100 mV/s

圖8 不同活性炭電極的循環(huán)壽命Fig.8 Cycle life curves of different activated carbon electrodes

2.5.2 恒流充放電特性

不同活性炭電極在1 A/g～20 A/g電流密度下的恒流充放電曲線如圖9所示。由圖9可以看出，LHT-AC-4-800和 BYH-AC-4-800在不同電流密度下，電壓與時間都呈現良好的線性關系，表明活性炭電極有較好的充放電性能，且恒流充放電曲線呈現規(guī)則的等腰三角形，說明這兩種活性炭做電極材料時可形成良好的雙電層[23]。活性炭電極既可以在較小的電流密度下工作，也可以在較大的電流密度下工作。在電流密度為1 A/g時，LHF-AC-4-800和BYH-AC-4-800都是約8 min可完成充放電過程，說明活性炭電極在小電流密度下工作時，充放電所用時間較長。在電流密度為20 A/g時，LHT-AC-4-800和BYH-AC-4-800都是約0.5 min可完成充放電過程，說明活性炭電極在大電流密度下工作時，充放電所用時間較短?；钚蕴侩姌O在大電流密度下工作時，可能會出現活性炭電極的等效內阻較大的情況，從而造成其能量在短時間快速釋放。同理活性炭電極在較小的電流密度下工作時，活性炭電極的等效內阻較小，從而其能量釋放的時間較長。由恒流充放電曲線表明，LHT-AC-4-800和 BYH-AC-4-800這兩種活性炭電極材料可以在1 A/g～20 A/g電流密度下正常工作，且表現出良好的充放電性能。這兩種活性炭電極材料既可以在大電流密度下快速完成充放電，也可以在較小的電流密度下緩慢完成充放電工作。

圖9 不同活性炭電極在1 A/g～20 A/g電流密度下的恒流充放電曲線Fig.9 Constant current charge-discharge curves of different activated carbon electrodes at the current densities ranging from 1 A/g to 20 A/g

不同活性炭電極在不同電流密度下的比電容如圖10所示。由圖10可以看出，LHT-AC-4-800和BYH-AC-4-800在電流密度為1 A/g時的比電容分別為246 F/g和244 F/g，LHF-AC-4-800和BYH-AC-4-800在電流密度為20 A/g時的比電容分別為205 F/g和202 F/g，比電容下降率分別為16.7%和17.2%?；钚蕴侩姌O比電容的下降幅度較小，表現出良好的高倍率特性。這是由于所制備的活性炭有合適的孔徑分布、較大的比表面積和孔體積，有利于電解質溶液中的離子在孔隙中快速遷移。

圖10 不同活性炭電極在不同電流密度下的比電容Fig.10 Specific capacitance of different activated carbon electrodes at different current densities

LHT-AC-4-800的比表面積為2 728 m3/g，孔體積為1.58 cm3/g，平均孔徑為2.31 nm。BYH-AC-4-800的比表面積為1 824 m3/g，孔體積為1.00 cm3/g，平均孔徑為2.19 nm。LHT-AC-4-800與BYH-AC-4-800相比，比表面積、孔體積和平均孔徑均有較大差異，但比電容接近，這說明LHT-AC-4-800的比表面積在充放電過程中并沒有得到充分利用。這是由于電解質離子在電極材料微孔孔隙內形成雙電層來存儲電荷，部分中孔能為電解液離子提供通道，這些孔對應的比表面積能充分利用，但也有一些微孔不能在微孔孔隙內形成雙電層來存儲電荷，部分中孔也不能為電解液離子提供通道，這使得活性炭的比表面積經常得不到最大限度的利用[22]。雖然LHT-AC-4-800和BYH-AC-4-800的比表面積、孔體積和平均孔徑差距較大，但可能二者比表面積有效利用部分接近或者微孔和中孔的有效利用率相近，從而造成電容性能表現近似相同。

2.5.3 交流阻抗分析

不同活性炭電極的交流阻抗曲線如圖11所示。由圖11可以看出，在高頻處，LHT-AC-4-800和BYH-AC-4-800電極的交流阻抗曲線出現圓弧形狀，圓弧與實軸的左交點值很小。實軸上的截距包括活性炭電極材料與電解液的接觸電阻和電解液電阻[24]，由截距可分析其內阻大小。圖11中的截距均很小，可以說明其內阻都很小。中頻區(qū)圖像出現明顯的45°斜線，說明多孔電極材料的電化學性能良好。低頻區(qū)的線段近似垂直于實軸，說明電容性能良好且電極材料有良好的功率特性。

圖11 不同活性炭電極的交流阻抗曲線Fig.11 Alternating current impedance curves of different activated carbon electrodes

3 結 論

1) 采用脫礦物質褐煤為原料，以KOH為活化劑的化學活化法制備活性炭，堿煤質量比為4∶1，炭化終溫為800 ℃的條件下制備的活性炭的比表面積和孔體積最大。

2) LHT和BYH在最優(yōu)炭化工藝條件下制備的活性炭作為電極材料具有良好的充放電性能，既可以在大電流密度下快速完成充放電，也可以在較小的電流密度下緩慢完成充放電工作。LHT和BYH在最優(yōu)炭化工藝條件下制備的活性炭電極在電流密度為20 A/g時的比電容與其在電流密度為1 A/g時的比電容相比，比電容的下降幅度較小，表現出良好的高倍率特性。

3) LHT和BYH在最優(yōu)炭化工藝條件下制備的活性炭電容器在經歷8 000次循環(huán)后，電容保持率仍高達99.87%，表明所制備的褐煤基活性炭有良好的電化學性能。