活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭用超临界二氧化碳增强比表

　　液体和气体相比，超临界流体具有介于液体和气体之间的溶解度和扩散率等性质，使其能够以高浓度将溶质带入孔隙中。超临界二氧化碳(scCO2)是一种常用的溶剂，被誉为绿色溶剂，在可回收性和再利用性方面优于乙醇、丙酮等常见有机绿色溶剂。使用超临界二氧化碳(scCO2)和有机金属络合物的金属沉积工艺已应用于浸渍技术，主要用于均匀嵌入高纵横比结构、太阳能电池薄膜.最近，用于在多孔二氧化硅中浸渍有机材料。此外，scCO2还用于去除吸附在活性炭上的有机物。

　　活性炭如何增强比表

　　在这项研究中，我们使用scCO2将CHL浸渍到活性炭微孔中来提高比表面积。如图1所示，在scCO2气氛下使用用于活性炭的CHL浸渍系统进行ScCO2浸渍。浸渍过程在四个温度(45、75、105和155℃)和三个压力(10、15和25MPa)值下进行，以在12个温度-压力(T_P)组合下制备样品。

　　图1：使用超临界二氧化碳的活性炭的四氯苯酚浸渍系统。

　　TG测量期间解吸的CHL的重量比在图2(a)显示。根据先前的研究，液体浸渍过程的负载率为30%，而CHL负载通过计算TG约为20%。这表明一旦加载到活性炭微孔中，有机分子就没有完全挥发。在45℃时，任何压力值下的加载量都没有显着差异。相反，在75、105和155℃时，CHL负载随着压力的增加而增加。在155℃时，CHL负载量高于相同压力但不同温度条件下的负载量。与液体浸渍工艺相比，在高于75℃和15MPa的条件下观察到更高的负载量。图2(b)显示了根据每个样品的氮吸附测量计算的Brunauer-Emmett-Teller(BET)。对于在各种温度和压力条件下制备的活性炭样品，证实负载量越高，SSA值越低。负载更多的scCO2浸渍的活性炭显示出比液体浸渍样品更低的SSA值。

　　图2：(a)TG测量期间解吸的CHL的重量比。(b)浸渍过程后的SSA。

　　计算活性炭的微孔尺寸分布

　　图3(a)显示了使用密度泛函理论(DFT)和二氧化碳吸附/解吸方法计算的微孔尺寸分布。结果表明，scCO2和液体浸渍样品的孔体积在整个微孔尺寸范围内均小于活性炭。相反，在1–1.5nm的孔径范围内，scCO2浸渍的样品表现出比液体浸渍的样品更小的孔体积。在1nm以下，75℃_25MPa下制备的样品孔体积最大，105℃_15MPa下制备的样品孔体积最小。液体浸渍过程发生在这两个体积之间。以前的报告表明，较高的压力可能会减少吸附的CHL的体积，因为吸附的二氧化碳量会随着压力的增加而增加。如图3(b)所示，在1nm以下，105℃_15MPa下制备的样品孔体积比75℃_25MPa下制备的样品小0.52倍。然而，在0.1Ag电极-PTFE−1下的放电容量仅高出1.04倍。因此，对于1nm或更小的孔体积的CHL负载，实际上对放电容量没有贡献。这归因于CO2的分子大小约为0.33nm，CHL的分子大小约为0.5nm，这使得溶剂化CHL在活性炭上的吸附具有挑战性。

　　图3：(a)使用DFT和二氧化碳吸附/解吸方法计算的微孔尺寸分布。(b)CHL浸渍活性炭的孔体积。

　　活性炭用超临界二氧化碳增强比表。在这项研究中，我们展示了使用scCO2将CHL浸渍到活性炭微孔中。结果，在105℃_15MPa下制备的CHL/活性炭阴极显示出的比容量是通过液体浸渍工艺获得的比容量的1.41倍。这是由于CHL加载到活性炭孔隙中的速率增加以及π-π相互作用。在经过1000次充放电循环后的比容量为75.5mAhg-1，与初始容量相比，这对应于93%的保持率。将有机分子浸渍到多孔碳中的scCO2过程具有广泛的应用潜力，例如制造用于电解、燃料电池和其他有机电池的电极。

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