活性炭的電物理性質(zhì)和熱容

　　活性炭具有多種物理化學(xué)特性，因此是生產(chǎn)電容器(包括超級(jí)電容器)最常用的材料之一。作為一種電極材料，活性炭具有許多優(yōu)點(diǎn)，使其在電子設(shè)備中的應(yīng)用具有吸引力�；钚蕴坑捎谄湮⒖捉Y(jié)構(gòu)和眾多的孔隙而具有非常高的表面積。這為其提供了大面積的電解質(zhì)離子吸附，從而導(dǎo)致電容器的電容增加�；钚蕴康母邔�(dǎo)電性有助于充電和放電過程中電子的有效傳輸。此外，活性炭具有化學(xué)穩(wěn)定性，保證了電極的較長(zhǎng)使用壽命和電容器的可靠運(yùn)行。

　　熱容量測(cè)量方法

　　活性炭樣品熱容的溫度依賴性是在串行量熱計(jì)上在298.15–448K的溫度范圍內(nèi)測(cè)量的。實(shí)驗(yàn)以每秒約0.1K的平均速度對(duì)樣品進(jìn)行單調(diào)、接近線性的加熱，樣品和介質(zhì)之間的溫差為3-30K。由于存在這樣的溫差，溫度滯后測(cè)量熱量表上的時(shí)間。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，確定了所研究參數(shù)的溫度依賴性。該設(shè)備的測(cè)量電路使用直流電位計(jì)和設(shè)備內(nèi)置的開關(guān)，在25℃后的固定點(diǎn)提供100至400℃的溫度水平測(cè)量。熱量計(jì)是一個(gè)熱通量轉(zhuǎn)換器，它提供流量測(cè)量，均衡樣品的表面溫度，并可以直接在熱塊中進(jìn)行校準(zhǔn)以解決誤差。全溫度范圍內(nèi)的測(cè)量和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的持續(xù)時(shí)間不超過2.5小時(shí)。設(shè)備根據(jù)護(hù)照數(shù)據(jù)的允許誤差限度為±10.0%。該裝置的工作原理基于動(dòng)態(tài)熱量計(jì)與熱量計(jì)的比較方法。將測(cè)試樣品放入測(cè)量池的金屬安瓿中，并用流經(jīng)熱量計(jì)的熱流連續(xù)加熱。每加熱25℃，使用微伏安計(jì)測(cè)量安瓿溫度相對(duì)于基礎(chǔ)溫度的時(shí)間延遲。

　　從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，煤粉的熱容呈單調(diào)增加趨勢(shì)。根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，煤粉的熱容Cp[J/(g·K)]與溫度的關(guān)系方程將具有以下形式：Cp=(0.196±0.011)+(1.98±0.11)×10−3T+(0.021±0.001)×105T−2對(duì)于所考慮的溫度區(qū)間，平均隨機(jī)誤差值用于確定相關(guān)方程Cp~f(T)中系數(shù)的誤差。煤粉和活性炭的圖形依賴性Cp~f(T)煤粉和活性炭如圖1所示。

　　圖1：煤粉和活性炭的Cp~f(T)的圖形依賴性。

　　從圖1所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，323K時(shí)的活性炭樣品在依賴曲線Cp~f(T)上具有熱容跳躍，這與第二類相變相關(guān)。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，熱容對(duì)溫度的依賴性曲線上323K的相變可以在一定程度上歸因于相對(duì)介電常數(shù)對(duì)溫度的依賴性曲線上從半導(dǎo)體到金屬電導(dǎo)率的轉(zhuǎn)變溫度和電阻隨溫度的變化，這也表明了這種相變的性質(zhì)。

　　電物理特性測(cè)量結(jié)果

　　電物理性質(zhì)(介電常數(shù)和電阻)的研究是通過在串行設(shè)備上以1kHz的工作頻率在干燥空氣中以恒溫模式連續(xù)測(cè)量樣品的電容來進(jìn)行的。每個(gè)固定溫度下的時(shí)間。此前，平面平行樣品是用粘合劑添加劑(約1.5%)制成直徑為10毫米、厚度為5-6毫米的圓盤形式。壓制在20kg/cm2的壓力下進(jìn)行。所得圓盤在實(shí)驗(yàn)室爐中在400℃下燒制6小時(shí)。然后，對(duì)它們進(jìn)行徹底的雙面研磨。

　　介電常數(shù)是根據(jù)樣品厚度和電極表面積已知值時(shí)樣品的電容確定的。為了獲得電感應(yīng)D和電場(chǎng)強(qiáng)度E之間的關(guān)系，使用了ST方案。D(E磁滯回線)的目視觀察是在示波器上進(jìn)行的，其分壓器由6mOhm和700kOhm的電阻以及0.15UF的參考電容器組成。發(fā)電機(jī)的頻率為300赫茲。在所有溫度研究中，樣品均置于烘箱中，通過連接至電壓表的鉻鎳合金熱電偶測(cè)量溫度，誤差為±0.1mV。溫度變化速率約為5K/min。

　　對(duì)于活性炭，介電常數(shù)會(huì)下降至343K的溫度，這可能是由于加熱導(dǎo)致水分去除所致。多芳烴中C=C鍵的存在以及C-O和O-H官能團(tuán)，以及比焦炭粉更大的孔隙率，也會(huì)導(dǎo)致介電常數(shù)的變化。在之前的研究中，根據(jù)紅外光譜的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)活性炭中存在與多環(huán)芳烴中的C=C鍵(1604.97cm-1)和R-OH鍵的波動(dòng)相對(duì)應(yīng)的高強(qiáng)度吸收帶羥基、羧基和酚類化合物(在3437.57cm-1)。這些基團(tuán)可能是蒸汽活化的結(jié)果，因?yàn)樗�蒸氣具有高活性，這也有助于形成大量中孔。此外，根據(jù)活性炭中氧化碳的含量，其電阻也會(huì)發(fā)生變化。在這項(xiàng)研究中，我們發(fā)現(xiàn)焦炭粉的蒸汽活化導(dǎo)致中孔和大孔數(shù)量增加，BET方法的結(jié)果如圖2所示。

　　圖2：煤粉和活性炭的吸附等溫線。

　　活性炭的電物理性質(zhì)和熱容，在293–463K范圍內(nèi)，研究了焦炭粉和活性炭的電物理特性的溫度依賴性。通過比較介電常數(shù)和電阻對(duì)溫度的依賴性數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)活性炭在323K時(shí)熱容的跳躍與導(dǎo)電類型的變化有關(guān)。另外，如果對(duì)于從植物原料中獲得的煤來說，隨著溫度的升高，介電常數(shù)有降低的趨勢(shì)，那么本研究發(fā)現(xiàn)，以往研究中獲得的活性炭具有介電常數(shù)變化的模糊特征。介電常數(shù)與官能團(tuán)和中孔的存在相關(guān)，其增加是由于熱化學(xué)暴露于水蒸氣而發(fā)生的。因此，活性炭可以被認(rèn)為是獲得冷凝器技術(shù)材料的有前途的原材料。介電特性隨溫度和頻率變化而變化的材料可用于制造具有某些特性的電容器。例如，此類材料可用于制造熱敏電容器，其電容根據(jù)溫度而變化。這在某些需要根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行容量監(jiān)控的應(yīng)用中非常有用。此外，具有可變介電特性的材料可用于制造電容隨頻率變化的專用電容器。此類電容器可用于各種濾波方案或創(chuàng)建具有不同頻率特性的設(shè)備。

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