活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭的电物理性质和热容

　　活性炭具有多种物理化学特性，因此是生产电容器(包括超级电容器)最常用的材料之一。作为一种电极材料，活性炭具有许多优点，使其在电子设备中的应用具有吸引力。活性炭由于其微孔结构和众多的孔隙而具有非常高的表面积。这为其提供了大面积的电解质离子吸附，从而导致电容器的电容增加。活性炭的高导电性有助于充电和放电过程中电子的有效传输。此外，活性炭具有化学稳定性，保证了电极的较长使用寿命和电容器的可靠运行。

　　热容量测量方法

　　活性炭样品热容的温度依赖性是在串行量热计上在298.15–448K的温度范围内测量的。实验以每秒约0.1K的平均速度对样品进行单调、接近线性的加热，样品和介质之间的温差为3-30K。由于存在这样的温差，温度滞后测量热量表上的时间。在一项实验中，确定了所研究参数的温度依赖性。该设备的测量电路使用直流电位计和设备内置的开关，在25℃后的固定点提供100至400℃的温度水平测量。热量计是一个热通量转换器，它提供流量测量，均衡样品的表面温度，并可以直接在热块中进行校准以解决误差。全温度范围内的测量和实验数据处理的持续时间不超过2.5小时。设备根据护照数据的允许误差限度为±10.0%。该装置的工作原理基于动态热量计与热量计的比较方法。将测试样品放入测量池的金属安瓿中，并用流经热量计的热流连续加热。每加热25℃，使用微伏安计测量安瓿温度相对于基础温度的时间延迟。

　　从实验数据可以看出，煤粉的热容呈单调增加趋势。根据获得的数据，煤粉的热容Cp[J/(g·K)]与温度的关系方程将具有以下形式：Cp=(0.196±0.011)+(1.98±0.11)×10−3T+(0.021±0.001)×105T−2对于所考虑的温度区间，平均随机误差值用于确定相关方程Cp~f(T)中系数的误差。煤粉和活性炭的图形依赖性Cp~f(T)煤粉和活性炭如图1所示。

　　图1：煤粉和活性炭的Cp~f(T)的图形依赖性。

　　从图1所示的实验数据可以看出，323K时的活性炭样品在依赖曲线Cp~f(T)上具有热容跳跃，这与第二类相变相关。应该强调的是，热容对温度的依赖性曲线上323K的相变可以在一定程度上归因于相对介电常数对温度的依赖性曲线上从半导体到金属电导率的转变温度和电阻随温度的变化，这也表明了这种相变的性质。

　　电物理特性测量结果

　　电物理性质(介电常数和电阻)的研究是通过在串行设备上以1kHz的工作频率在干燥空气中以恒温模式连续测量样品的电容来进行的。每个固定温度下的时间。此前，平面平行样品是用粘合剂添加剂(约1.5%)制成直径为10毫米、厚度为5-6毫米的圆盘形式。压制在20kg/cm2的压力下进行。所得圆盘在实验室炉中在400℃下烧制6小时。然后，对它们进行彻底的双面研磨。

　　介电常数是根据样品厚度和电极表面积已知值时样品的电容确定的。为了获得电感应D和电场强度E之间的关系，使用了ST方案。D(E磁滞回线)的目视观察是在示波器上进行的，其分压器由6mOhm和700kOhm的电阻以及0.15UF的参考电容器组成。发电机的频率为300赫兹。在所有温度研究中，样品均置于烘箱中，通过连接至电压表的铬镍合金热电偶测量温度，误差为±0.1mV。温度变化速率约为5K/min。

　　对于活性炭，介电常数会下降至343K的温度，这可能是由于加热导致水分去除所致。多芳烃中C=C键的存在以及C-O和O-H官能团，以及比焦炭粉更大的孔隙率，也会导致介电常数的变化。在之前的研究中，根据红外光谱的结果，发现活性炭中存在与多环芳烃中的C=C键(1604.97cm-1)和R-OH键的波动相对应的高强度吸收带羟基、羧基和酚类化合物(在3437.57cm-1)。这些基团可能是蒸汽活化的结果，因为水蒸气具有高活性，这也有助于形成大量中孔。此外，根据活性炭中氧化碳的含量，其电阻也会发生变化。在这项研究中，我们发现焦炭粉的蒸汽活化导致中孔和大孔数量增加，BET方法的结果如图2所示。

　　图2：煤粉和活性炭的吸附等温线。

　　活性炭的电物理性质和热容，在293–463K范围内，研究了焦炭粉和活性炭的电物理特性的温度依赖性。通过比较介电常数和电阻对温度的依赖性数据，发现活性炭在323K时热容的跳跃与导电类型的变化有关。另外，如果对于从植物原料中获得的煤来说，随着温度的升高，介电常数有降低的趋势，那么本研究发现，以往研究中获得的活性炭具有介电常数变化的模糊特征。介电常数与官能团和中孔的存在相关，其增加是由于热化学暴露于水蒸气而发生的。因此，活性炭可以被认为是获得冷凝器技术材料的有前途的原材料。介电特性随温度和频率变化而变化的材料可用于制造具有某些特性的电容器。例如，此类材料可用于制造热敏电容器，其电容根据温度而变化。这在某些需要根据环境温度进行容量监控的应用中非常有用。此外，具有可变介电特性的材料可用于制造电容随频率变化的专用电容器。此类电容器可用于各种滤波方案或创建具有不同频率特性的设备。

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