活性炭含磷基團結構調控及其電化學套用基礎研究

《活性炭含磷基團結構調控及其電化學套用基礎研究》是依託南京林業大學，由左宋林擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：活性炭含磷基團結構調控及其電化學套用基礎研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：左宋林
• 依託單位：南京林業大學

中文摘要

本項目旨在研究活性炭領域的一個新方向：含磷活性炭的電化學性質。這一新方向是在本課題組以往系統的磷酸法活性炭研究基礎上，並根據近期研究發現而提出的。經深入科學分析，提出並論證了含磷基團在含磷活性炭中存在的三種基本結構，從而抓住了磷元素影響含磷活性炭電化學性質的基本科學問題；在此基礎上，創新提出以熱處理含磷活性炭為基礎，通過改變熱處理溫度和氣氛與浸漬化學助劑的含磷基團結構調控方法。以此為依據，深入研究含磷活性炭的熱處理溫度、氣氛和浸漬化學助劑種類對含磷基團結構的影響，對比分析掌握含磷基團的結構變化規律以及其它雜元素的影響。通過進一步研究含磷活性炭的電催化還原能力和比電容量，分析掌握含磷基團的結構與活性炭電化學性質之間的關係。從而系統掌握含磷基團的結構調控機制以及影響含磷活性炭電化學性質的內在規律，促進活性炭基礎理論的發展，為開發高性能的燃料電池和超級電容器等電極材料提供理論指導和技術支持。

結題摘要

本項目針對含磷活性炭的電化學性質，主要研究了活性炭中含磷表面官能團的種類以及演變規律，探討了不同含磷表面官能團的形成過程以及在惰性氣氛與還原氣氛條件熱處理過程對含磷表面官能團的演變過程與機制；在此基礎上，進一步研究了含磷活性炭在雙電層電容器中的電化學性質，分析了含磷表面官能團對活性炭雙電層儲能性能的影響。按照項目任務書的要求，完成了活性炭含磷基團結構及其電化學套用基礎的研究工作，並得到以下主要結果。 （1）隨著熱處理溫度的升高，活性炭的含磷官能團的C-O-P結構逐步向C-P-O、C3-P=O、C3-P甚至是單質磷的結構演變。 （2）熱處理氣氛對含磷基團的結構演變過程具有非常重要的影響。在氮氣氣氛下，在熱處理溫度達到800 ºC以上，這種演變才較明顯發生，導致形成了相當多的C3-P=O結構，在高溫下難以形成C3-P結構。在氫氣氣氛下，這種演變普遍發生在500 ºC的熱處理溫度，並導致C3-P結構和單質磷的形成。在氫氣氣氛下，活性炭的磷元素含量隨著熱處理溫度的升高顯著減少，而氮氣氣氛下則變化不顯著。 （3）無論在氮氣氣氛下還是氫氣氣氛下，位於類石墨微晶邊緣的含磷基團比位於類石墨微晶骨架內的含磷基團更容易受到熱處理氣氛的影響，並更易轉化成C3-P=O結構。 （4）活性炭摻雜的磷可引入贗電容，提高活性炭電極的比電容量。 （5）統計分析結果表明：含磷活性炭的中孔有利於電解質離子向微孔內的擴散，在6 mol·L-1 KOH 電解質溶液中，孔徑在1.10－1.61 nm、2.12－2.43 nm及3.94－4.37 nm範圍內是電解質離子在活性炭孔隙內部形成雙電層的主要場所。 本項目的研究結果揭示了活性炭中常見的含磷基團的演變過程，為活性炭含磷表面基團的調控提供了方法和理論基礎，本項目的研究成果成為活性炭表面調控理論與技術的重要組成部分，並為含磷活性炭的套用奠定了新的依據。