前驱体机械压实制备高密度活性炭及其致密电容储能性能

李齐齐 张苏 江娱婷 朱琳娜 郭楠楠 张晶 李禹彤 魏彤 范壮军

引用本文: 李齐齐, 张苏, 江娱婷, 朱琳娜, 郭楠楠, 张晶, 李禹彤, 魏彤, 范壮军. 前驱体机械压实制备高密度活性炭及其致密电容储能性能[J]. 物理化学学报, 2025, 41(3): 240600. doi: 10.3866/PKU.WHXB202406009 shu
Citation:  Qiqi Li, Su Zhang, Yuting Jiang, Linna Zhu, Nannan Guo, Jing Zhang, Yutong Li, Tong Wei, Zhuangjun Fan. Preparation of High Density Activated Carbon by Mechanical Compression of Precursors for Compact Capacitive Energy Storage[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2025, 41(3): 240600. doi: 10.3866/PKU.WHXB202406009 shu

前驱体机械压实制备高密度活性炭及其致密电容储能性能

    通讯作者: Email: suzhangs@163.com (S.Z.); Email: fanzhj666@163.com (Z.F.)
  • 基金项目:

    国家自然科学基金项目 52062046

    国家自然科学基金项目 52302336

    山东省泰山学者计划 tsqn202306131

    山东省泰山学者计划 tsqn202312123

    山东省自然科学基金重大基础研究项目 ZR2019ZD51

摘要: 大比表面积活性炭的密度普遍较低、体积储能性能不佳,难以满足超级电容器的小型化发展需求。针对此,本工作提出在活化前对炭前驱体进行机械压实以提高活性炭密度的普适性方法,并研究了机械压实对由外而内活化(炭粉/KOH混合物)和均匀离子活化(热解含钾盐类)所制备活性炭的比表面积、孔结构和电容储能性能的影响规律。结果表明,对前驱体进行机械压实能够提高活化反应效率、活性炭密度和体积电容储能性能。随着机械压力升高,由外而内活化所得活性炭的比表面积和孔隙率先升高后降低,原因在于机械压实能够消除颗粒间的空隙以增加前驱体与活化剂之间的接触,进而显著提高了活化效率。对于均匀离子活化,活性炭的比表面积和孔隙率呈现先降低后升高的趋势,这可能是由于致密前驱体抑制了热解过程中产生的活性气体分子(H2O、CO2等)快速散逸,使之继续参与活化反应,提高了活化刻蚀效率。本工作为大比表面积和高密度活性炭的设计制备提供了简单思路。

English

    1. [1]

      Simon, P., Gogotsi, Y. Nat. Mater. 2008, 7, 845. doi: 10.1038/nmat2297

    2. [2]

      Wang, Y.; Song, Y.; Xia, Y. Chem. Soc. Rev. 2016, 45, 5925. doi: 10.1039/c5cs00580a

    3. [3]

      Wang, G.; Zhang, L.; Zhang, J. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 797. doi: 10.1039/c1cs15060j

    4. [4]

      Sevilla, M.; Mokaya, R. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 1250. doi: 10.1039/c3ee43525c

    5. [5]

      Shao, H.; Wu, Y.; Lin, Z.; Taberna, P. L.; Simon, P. Chem. Soc. Rev. 2020, 49, 3005. doi: 10.1039/d0cs00059k

    6. [6]

      杨越, 朱加伟, 王鹏彦, 刘海咪, 曾炜豪, 陈磊, 陈志祥, 木士春. 物理化学学报, 2022, 38, 2106002. doi: 10.3866/PKU.WHXB202106002Yang, Y.; Zhu, J.; Wang, P.; Liu, H.; Zeng, W.; Chen, L.; Chen, Z.; Mu, S. Acta Phys. -Chim. Sini. 2022, 38, 2106002. doi: 10.3866/PKU.WHXB202106002

    7. [7]

      叶萍, 覃玲霜, 贺萌瑶, 巫方方, 陈增烨, 梁明星, 邓立波. 物理化学学报, 2024, 40, 2311032. doi: 10.3866/PKU.WHXB202311032Ye, P.; Qin, L.; He, M.; Wu, F.; Chen, Z.; Liang, M.; Deng, L. Acta Phys. -Chim. Sini. 2024, 40, 2311032. doi: 10.3866/PKU.WHXB202311032

    8. [8]

      张威, 梁海琛, 朱科润, 田泳, 刘瑶, 陈佳音, 李伟. 物理化学学报, 2022, 38, 2105024. doi: 10.3866/PKU.WHXB202105024Zhang, W.; Liang, H.; Zhu, K.; Tian, Y.; Liu, Y.; Chen, J.; Li, W. Acta Phys. -Chim. Sini. 2022, 38, 2105024. doi: 10.3866/PKU.WHXB202105024

    9. [9]

      Guo, W.; Yu, C.; Li, S.; Qiu, J. Energy Environ. Sci. 2021, 14, 576. doi: 10.1039/d0ee02649b

    10. [10]

      Wu, J.; Zhang, X.; Ju, Z.; Wang, L.; Hui, Z.; Mayilvahanan, K.; Takeuchi, K. J.; Marschilok, A. C.; West, A. C.; Takeuchi, E. S.; et al. Adv. Mater. 2021, 33, 2101275. doi: 10.1002/adma.202101275

    11. [11]

      Zhang, C.; Lv, W.; Tao, Y.; Yang, Q. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 1390. doi: 10.1039/c5ee00389j

    12. [12]

      Li, H.; Tao, Y.; Zheng, X.; Luo, J.; Kang, F.; Cheng, H.; Yang, Q. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 3135. doi: 10.1039/c6ee00941g

    13. [13]

      Li, Z.; Gadipelli, S.; Li, H.; Howard, C. A.; Brett, D. J. L.; Shearing, P. R.; Guo, Z.; Parkin, I. P.; Li, F. Nat. Energy 2020, 5, 160. doi: 10.1038/s41560-020-0560-6

    14. [14]

      Xu, Y.; Lin, Z.; Zhong, X.; Huang, X.; Weiss, N. O.; Huang, Y.; Duan, X. Nat. Commun. 2014, 5, 4554. doi: 10.1038/ncomms5554

    15. [15]

      Li, H.; Tao, Y.; Zheng, X.; Li, Z.; Liu, D.; Xu, Z.; Luo, C.; Luo, J.; Kang, F.; Yang, Q. Nanoscale 2015, 7, 18459. doi: 10.1039/c5nr06113j

    16. [16]

      Murali, S.; Quarles, N.; Zhang, L. L.; Potts, J. R.; Tan, Z.; Lu, Y.; Zhu, Y.; Ruoff, R. S. Nano Energy 2013, 2, 764. doi: 10.1016/j.nanoen.2013.01.007

    17. [17]

      Li, P.; Li, H.; Han, D.; Shang, T.; Deng, Y.; Tao, Y.; Lv, W.; Yang, Q. H. Adv. Sci. 2019, 6, 1802355. doi: 10.1002/advs.201802355

    18. [18]

      Zhang, S.; Zhu, J.; Qing, Y.; Wang, L.; Zhao, J.; Li, J.; Tian, W.; Jia, D.; Fan, Z. Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805898. doi: 10.1002/adfm.201805898

    19. [19]

      Jiang, Y.; Jiang, Z.; Shi, M.; Liu, Z.; Liang, S.; Feng, J.; Sheng, R.; Zhang, S.; Wei, T.; Fan, Z. Carbon 2021, 182, 559. doi: 10.1016/j.carbon.2021.06.039

    20. [20]

      Tian, W.; Zhu, J.; Dong, Y.; Zhao, J.; Li, J.; Guo, N.; Lin, H.; Zhang, S.; Jia, D. Carbon 2020, 161, 89. doi: 10.1016/j.carbon.2020.01.044

    21. [21]

      Guo, H.; Ding, B.; Dong, X.; Dong, S.; Zhang, Y.; Zhu, J.; Dou, H.; Zhang, X. Energy Technol. -Ger. 2019, 7, 1900209. doi: 10.1002/ente.201900209

    22. [22]

      Adeniran, B.; Mokaya, R. Nano Energy 2015, 16, 173. doi: 10.1016/j.nanoen.2015.06.022

    23. [23]

      Balahmar, N.; Mitchell, A. C.; Mokaya, R. Adv. Energy Mater. 2015, 5, 1500867. doi: 10.1002/aenm.201500867

    24. [24]

      Wu, X.; Ding, B.; Zhang, C.; Li, B.; Fan, Z. Carbon 2019, 153, 225. doi: 10.1016/j.carbon.2019.07.020

    25. [25]

      Sevilla, M.; Fuertes, A. B. ACS Nano 2014, 8, 5069. doi: 10.1021/nn501124h

    26. [26]

      Li, J.; Kossmann, J.; Zeng, K.; Zhang, K.; Wang, B.; Weinberger, C.; Antonietti, M.; Odziomek, M.; López-Salas, N. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202217808. doi: 10.1002/anie.202217808

    27. [27]

      Liu, Q.; Wu, D.; Wang, T.; Wang, C.; Jia, D. Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2400556. doi: 10.1002/adfm.202400556

    28. [28]

      Peng, Q.; Wang, K.; Gong, Y.; Zhang, X.; Xu, Y.; Ma, Y.; Zhang, X.; Sun, X.; Ma, Y. Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2308284. doi: 10.1002/adfm.202308284

    29. [29]

      Liu, X.; Lyu, D.; Merlet, C.; Leesmith, M. J. A.; Hua, X.; Xu, Z.; Grey, C. P.; Forse, A. C. Science 2024, 384, 321. doi: 10.1126/science.adn6242

    30. [30]

      唐诗怡, 鹿高甜, 苏毅, 王广, 李炫璋, 张广琦, 魏洋, 张跃钢. 物理化学学报, 2020, 38, 2001007. doi: 10.3866/PKU.WHXB202001007Tang, S.; Lu, G.; Su, Y.; Wang, G.; Li, X.; Zhang, G.; Wei, Y.; Zhang, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 38, 2001007. doi: 10.3866/PKU.WHXB202001007

    31. [31]

      Li, Q.; Jiang, Y.; Jiang, Z.; Zhu, J.; Gan, X.; Qin, F.; Tang, T.; Luo, W.; Guo, N.; Liu, Z.; et al. Carbon 2022, 191, 19. doi: 10.1016/j.carbon.2022.01.042

    32. [32]

      Liu, W.; Jiang, H.; Yu, H. Chem. Rev. 2015, 115, 12251. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00195

    33. [33]

      Shi, J.; Huang, T.; Wu, R.; Wu, J.; Li, Y.; Kuang, Y.; Xing, H.; Zhang, W. Int. J. Biol. Macromol. 2024, 264, 130460. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2024.130460

    34. [34]

      Choudhary, N.; Li, C.; Moore, J.; Nagaiah, N.; Zhai, L.; Jung, Y.; Thomas, J. Adv. Mater. 2017, 29, 1605336. doi: 10.1002/adma.201605336

    35. [35]

      Zhang, J.; Tang, T.; Gan, X.; Yuan, R.; Li, Q.; Zhu, L.; Guo, N.; Zhu, J.; Li, Y.; Zhang, S.; et al. Chem. Eng. J. 2023, 470, 144257. doi: 10.1016/j.cej.2023.144257

    36. [36]

      Liu, B.; Liu, Y.; Chen, H.; Yang, M.; Li, H. J. Power Sources 2017, 341, 309. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.12.022

    37. [37]

      Dong, Y.; Zhang, S.; Du, X.; Hong, S.; Zhao, S.; Chen, Y.; Chen, X.; Song, H. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1901127. doi: 10.1002/adfm.201901127

    38. [38]

      Qin, F.; Li, Q.; Tang, T.; Zhu, J.; Gan, X.; Chen, Y.; Li, Y.; Zhang, S.; Huang, X.; Jia, D. Fuel 2022, 322, 124216. doi: 10.1016/j.fuel.2022.124216

    39. [39]

      Liang, Q.; Ye, L.; Huang, Z.; Xu, Q.; Bai, Y.; Kang, F.; Yang, Q. Nanoscale 2014, 6, 13831. doi: 10.1039/c4nr04541f

    40. [40]

      Jiang, Y.; Li, J.; Jiang, Z.; Shi, M.; Sheng, R.; Liu, Z.; Zhang, S.; Cao, Y.; Wei, T.; Fan, Z. Carbon 2021, 175, 281. doi: 10.1016/j.carbon.2021.01.016

    41. [41]

      Xie, Q.; Bao, R.; Zheng, A.; Zhang, Y.; Wu, S.; Xie, C.; Zhao, P. ACS Sustain. Chem. Eng. 2016, 4, 1422. doi: 10.1021/acssuschemeng.5b01417

    42. [42]

      Wang, R.; Wang, P.; Yan, X.; Lang, J.; Peng, C.; Xue, Q. ACS Appl. Mater. Interf. 2012, 4, 5800. doi: 10.1021/am302077c

    43. [43]

      Pritzl, D.; Bumberger, A. E.; Wetjen, M.; Landesfeind, J.; Solchenbach, S.; Gasteiger, H. A. J. Electrochem. Soc. 2019, 166, 582. doi: 10.1149/2.0451904jes

    44. [44]

      Landesfeind, J.; Pritzl, D.; Gasteiger, H. A. J. Electrochem. Soc. 2017, 164, 1773. doi: 10.1149/2.0131709jes

    45. [45]

      Zou, K.; Cai, P.; Deng, X.; Wang, B.; Liu, C.; Li, J.; Hou, H.; Zou, G.; Ji, X. J. Energy Chem. 2021, 60, 209. doi: 10.1016/j.jechem.2020.12.039

    46. [46]

      Wang, Q.; Qu, Y.; Bai, J.; Chen, Z.; Luo, Q.; Li, H.; Li, J.; Yang, W. Nano Energy 2024, 120, 109147. doi: 10.1016/j.nanoen.2023.109147

    47. [47]

      Zhang, F.; Liu, T.; Hou, G.; Kou, T.; Yue, L.; Guan, R.; Li, Y. Nano Res. 2016, 9, 2875. doi: 10.1007/s12274-016-1173-z

    48. [48]

      Dang, Z.; Li, X.; Li, Y.; Dong, L. J. Colloid Interf. Sci. 2023, 644, 221. doi: 10.1016/j.jcis.2023.04.074

    49. [49]

      Peng, X.; Li, Y.; Kang, F.; Li, X.; Zheng, Z.; Dong, L. Small 2024, 20, 2305547. doi: 10.1002/smll.202305547

    50. [50]

      Irham, M. A.; Septianto, R. D.; Wulandari, R. D.; Majima, Y.; Iskandar, F.; Iwasa, Y.; Bisri, S. Z. ACS Appli. Mater. Interfaces 2024, 16, 24889. doi: 10.1021/acsami.4c02517

    51. [51]

      Liu, C.; Yan, X.; Hu, F.; Gao, G.; Wu, G.; Yang, X. Adv. Mater. 2018, 30, 1705713. doi: 10.1002/adma.201705713

    52. [52]

      Alexander, C. F.; Griffin, J. M.; Merlet, C.; Carretero-Gonzalez, J.; Raji, A. -R. O.; Trease, N. M.; Grey, C. P. Nat. Energy 2017, 2, 16216. doi: 10.1038/nenergy.2016.216

    53. [53]

      Béguin, F.; Presser, V.; Balducci, A.; Frackowiak, E. Adv. Mater. 2014, 26, 2219. doi: 10.1002/adma.201304137

    54. [54]

      Chmiola, J.; Yushin, G.; Gogotsi, Y.; Portet, C.; Simon, P.; Taberna, P. L. Science 2006, 313, 1760. doi: 10.1126/science.1132195

    55. [55]

      Chmiola, J.; Largeot, C.; Taberna, P. L.; Simon, P.; Gogotsi, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 120, 3440. doi: 10.1002/ange.200704894

    56. [56]

      Stoller, M. D.; Park S.; Zhu, Y.; An, J.; Rodney, R. S. Nano Lett. 2008, 8, 3498. doi: 10.1021/nl802558y

    57. [57]

      Díez, N.; Sevilla, M.; Fuertes, A. B. Chem. Electro. Chem. 2020, 7, 3798. doi: 10.1002/celc.202000960

    58. [58]

      Ferrero, G. A.; Fuertes, A. B.; Sevilla, M. Electrochim. Acta 2015, 168, 320. doi: 10.1016/j.electacta.2015.04.052

    59. [59]

      Huang, L.; Key, J.; Shen, P. K. J. Power Sources 2019, 414, 76. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.12.060

    60. [60]

      Chen, Q.; Sun, J.; Wang, Z.; Zhao, Z.; Zhang, Y.; Liu, Y.; Hou, L.; Yuan, C. RSC Adv. 2018, 8, 9181. doi: 10.1039/c8ra00858

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  0
  • 文章访问数:  91
  • HTML全文浏览量:  1
文章相关
  • 发布日期:  2025-03-15
  • 收稿日期:  2024-06-11
  • 接受日期:  2024-07-30
  • 修回日期:  2024-07-29
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章