圖2為不同炭化溫度下制得的竹基活性炭的氮?dú)馕降葴鼐€，圖4為由DFT法計(jì)算的竹基活性炭的孔徑分布曲線。如圖3所示，樣品ABC800和ABC600、ABC700分別在相對(duì)壓力P/P0≥0.2和0.3時(shí)出現(xiàn)吸附平臺(tái)，吸附容量逐漸接近飽和，屬于I型吸附曲線，為典型的微孔結(jié)構(gòu)活性炭。樣品ABC500的氮?dú)馕搅棵黠@增加，在相對(duì)壓力P/P0≥0.5時(shí)，吸附量仍緩慢增加。曲線屬II型，ABC500的氮?dú)饪偽搅扛哌_(dá)31664.999999999996px3/g，在較高的相對(duì)分壓下，吸附等溫線上表現(xiàn)出一突躍，說明發(fā)生了毛細(xì)管凝聚現(xiàn)象，進(jìn)而表明活性炭中含有一定量較大孔徑的中孔。如圖4所示，隨著炭化溫度增加，竹基活性炭中孔含量明顯減小，微孔含量先增大后減小。ABC800的孔徑主要分布在2nm以下，以微孔為主，中孔含量較少；ABC600和ABC700中孔徑在2到3nm內(nèi)的中孔含量有所增加，而ABC500中孔徑在2.5到4nm的中孔含量明顯增加。上述結(jié)果說明炭化溫度對(duì)竹基活性炭的孔徑及孔徑分布有較大影響，降低炭化溫度可得到孔徑較大、孔徑分布較寬的活性炭。

炭化溫度對(duì)活性炭吸附性能的影響分析--椰殼活性炭

圖3 活性炭的氮?dú)獾葴匚骄€ ? ? ? ? ? 圖4 炭化溫度不同的活性炭的孔徑分布

3.4 炭化溫度對(duì)竹基活性炭電化學(xué)性能的影響

3.4.1 直流充放電性能

? ?表3列出了炭化溫度不同的竹基活性炭在1mA/cm2的電流密度下恒流充放電時(shí)的比電容。由表3可知，隨著炭化溫度的升高，活性炭的比電容逐漸減小，但在所考察的炭化溫度范圍內(nèi)，竹基活性炭均表現(xiàn)出較高的比電容。這可能是由于隨著炭化溫度的升高，體系當(dāng)中活性碳原子數(shù)逐漸減少，與KOH反應(yīng)活性降低，比表面積與總孔容等不斷減小，從而導(dǎo)致比電容減小。

炭化溫度對(duì)活性炭吸附性能的影響分析--椰殼活性炭（二）

表3 不同炭化溫度下活性炭的比電容量

3.4.2 比電容保持能力

? ?由圖5可知，所制竹基活性炭的比電容均隨放電電流密度的增加而呈下降趨勢，電流密度從1mA/cm2增加至50mA/cm2時(shí)，樣品ABC500的比電容由178.8F/g降低至133.3F/g，容量保持率為74.6%，樣品ABC700和ABC600的容量保持率分別為43.7%和34.1%，而樣品ABC800的容量保持率僅為33.8%。這表明在大電流密度充放電下有機(jī)電解液離子難以在活性炭微孔孔隙內(nèi)遷移。對(duì)照?qǐng)D4可知椰殼活性炭，樣品ABC800主要以微孔為主，中孔含量小，故容量衰減率大，而樣品ABC500容量保持率高達(dá)74.6%，適量中孔的存在有利于電解液離子在孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)較迅速的遷移，所以樣品ABC500容量保持率較高。

圖5 放電容量與放電電流密度的關(guān)系

3.4.3 循環(huán)伏安特性

? ?圖6為炭化溫度不同的竹基活性炭電的循環(huán)伏安曲線，掃描速率為50mV/s。由圖6可知，隨著炭化溫度的升高，活性炭電的循環(huán)伏安曲線逐漸偏離理想矩形，但無氧化還原峰出現(xiàn)，且可逆性良好，表明電容器主要以雙電層儲(chǔ)能為主。其中ABC500曲線矩形面積大，這與其由恒流充放電計(jì)算所得質(zhì)量比電容值為大值相一致。其中ABC600、ABC700曲線形狀與面積均比較接近，這與表2所示兩種樣品的總比表面積、微孔孔容及中孔孔容等接近相一致。與ABC600、ABC700曲線一樣，ABC800的循環(huán)伏安曲線也變形為“棗核”狀，這可能源于尺寸較大椰殼活性炭的有機(jī)電解質(zhì)離子難以在其狹窄的微孔內(nèi)遷移。ABC500由于具有較多數(shù)量的中孔，電解質(zhì)離子更容易在其內(nèi)部快速傳輸，分散電容效應(yīng)較小，因此曲線偏離理想矩形的程度較小。

圖6 活性炭電的循環(huán)伏安曲線（掃描速率為50mV/s）

? ?圖7為ABC500活性炭電在不同掃描速率下的循環(huán)伏安曲線圖。由圖8可知，在5至50mV/s的掃描范圍內(nèi)，活性炭電的循環(huán)伏安曲線保持較理想的矩形（如圖8(a)所示），比電容隨掃描速率的變化較?。ㄈ鐖D8(b)所示），與ABC500活性炭電在不同倍率下充放電結(jié)果相吻合。由于ABC500的中孔含量較高，平均孔徑較大，電解質(zhì)離子的遷移電阻較小，即使在較大的掃描速率下，電解質(zhì)離子也能夠在孔中快速遷移形成雙電層，因此比電容隨掃描速率變化較小，類似于理想電容。

圖7 ABC500活性炭電循環(huán)伏安曲線（箭頭所指為掃描速率增大的方向）

3.4.4 交流阻抗特性

? ?圖8是不同炭化溫度竹基活性炭電的交流阻抗譜圖。由圖可以看出，以不同炭化溫度椰殼活性炭為電的EDLC具有相類似的交流阻抗譜圖：低頻區(qū)是一條與橫坐標(biāo)軸幾乎垂直的直線，中頻區(qū)是一段斜率接近45°的斜線，高頻區(qū)是一段半圓弧。低頻區(qū)與橫坐標(biāo)軸幾乎垂直的直線，表明活性炭電都是多孔性的，具有理想電容器的電容特性。如圖所示，隨著炭化溫度的升高，所制活性炭電電容特性先變差再變好，其中ABC500接近理想電容特性，ABC700較差。中頻區(qū)斜率接近45°的斜線是多孔電阻抗曲線的典型特征。它表示在該頻率范圍內(nèi)電化學(xué)體系的動(dòng)力學(xué)過程很快，物質(zhì)傳遞起主導(dǎo)作用，是Warburg傳質(zhì)過程。高頻區(qū)的半圓弧則反映了電和電解液的本體性能以及電/電解液界面的電荷傳遞過程。在該區(qū)頻率范圍內(nèi)，電解質(zhì)離子可以快速地?cái)U(kuò)散到活性炭電的外表面和大孔中孔的內(nèi)表面，化學(xué)體系的動(dòng)力學(xué)較慢，電荷傳遞是主要過程?；钚蕴侩娫谔幚磉^程中不可避免地會(huì)形成部分含氧基團(tuán)，含氧基團(tuán)與電解質(zhì)溶液中的離子發(fā)生電反應(yīng)，出現(xiàn)電荷傳遞阻抗，即半圓的直徑Rct，其大小與電反應(yīng)的難易程度有關(guān)。比較圖中四條阻抗曲線上高頻部分的半圓直徑就可發(fā)現(xiàn)：隨著炭化溫度的升高，Rct先增大后減小。對(duì)照表2可知，當(dāng)炭化溫度為500℃時(shí)，活化所得的活性炭中孔相對(duì)較多，電荷傳遞電阻較??；當(dāng)炭化溫度為700℃時(shí)，活化所得的活性炭中孔相對(duì)較少，而微孔含量多，電荷傳遞電阻大。

圖8 活性炭電的交流阻抗譜圖

? ?圖9是活性炭電的質(zhì)量比電容-頻率曲線。頻率對(duì)比容量的相應(yīng)關(guān)系對(duì)應(yīng)電解液在電表面區(qū)域的吸附和脫附過程。高頻區(qū)對(duì)應(yīng)于電的外表面，主要取決于材料的微觀晶粒邊界、晶粒與晶粒之間的各種現(xiàn)象，以及電材料的比表面積和離子與離子、電荷與電荷、電荷與離子間的靜電引力作用。低頻區(qū)對(duì)應(yīng)電的內(nèi)表面，主要決定于電材料孔徑分布和微孔結(jié)構(gòu)中的離子遷移率。只有在很低的頻率下，電流才能穿入電孔隙深部，電有效表面積得以增大而形成較高的比容量。交流信號(hào)的頻率降低至一定值時(shí)，孔隙內(nèi)表面得到充分利用，電的雙電層電容不再變化，形成平臺(tái)。通常稱達(dá)到平臺(tái)時(shí)的頻率為截止頻率，截止頻率越高，說明電容器功率特性越好，容量保持率越高。由圖9可知，在雙電電動(dòng)電容迅速上升的頻率范圍內(nèi)，比電容從大到小的排列順序?yàn)?/span>ABC500>ABC600>ABC700>ABC800；而在較低頻率（0.01Hz）范圍內(nèi)，比電容從大到小的排列順椰殼活性炭序?yàn)?/span>ABC500>ABC700>ABC600>ABC800。上述結(jié)果進(jìn)一步說明，活性炭電的功率特性主要取決于其中孔孔容，中孔比例越高的活性炭其高頻特性越好，活性炭具有適宜比例的中孔有利于提高微孔的利用率即提高雙電層電容，同時(shí)改善活性炭電的功率特性，具有較好的綜合電化學(xué)性能。

圖9 活性炭Bode曲線

4、結(jié)論

? ?根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論，可得出以下結(jié)論：

? ?（1）炭化溫度對(duì)竹基活性炭的孔隙結(jié)構(gòu)有較大的影響，隨著炭化溫度的升高，比表面積與總孔容、中孔孔容均不斷減小，而微孔比表面積和微孔孔容隨著炭化溫度的升高先增大后減小。在炭化溫度為500℃、KOH與竹炭的質(zhì)量比為4:1、活化溫度為800℃、活化時(shí)間為2小時(shí)的條件下制備的竹基活性炭（ABC500）的比表面積高達(dá)3447m2/g，總孔容為49px3/g，中孔率為16.6%。

? ?（2）在實(shí)驗(yàn)考察的炭化溫度范圍內(nèi)，炭化溫度不同的竹基活性炭用作雙電層電容器的電材料時(shí)，均表現(xiàn)出較高的比電容。其中ABC500在有機(jī)電解液中1mA/cm2電流密度下的比電容高達(dá)178.8F/g，電流密度增大50倍，容量保持率仍達(dá)到74.6%，表現(xiàn)出良好的充放電及高容量、高功率特性。在比表面積相當(dāng)時(shí)，適當(dāng)增加活性炭的中孔率不僅有利于改善其高倍率充放電性能，而且可以提高微孔的利用率。

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