新疆煤炭资源丰富,以不粘煤为主,但新疆地区水资源缺乏,环境问题突出,限制了其煤制油产业的发展。同时,近些年生态环境问题以及能源需求使得各国对可再生新能源的发展提出了更高要求。超级电容器是一种新型储能装置,具有功率密度大、循环寿命长、免维护等优点,未来将成为电动汽车的重要组成部分。多孔炭材料由于具有比表面积大、化学稳定性好、成本低且易于制备等优点,一直是超级电容器电极材料的首选。新疆不粘煤碳含量高,灰分低,非常适合作为原料制备多孔炭电极材料。采用简单绿色的工艺条件,实现低能耗、零污染煤基多孔炭电极材料的温和制备,无疑将对煤炭的清洁利用以及超级电容器电极材料开发具有重要意义。本文以新疆不粘煤为原料,采用温和的水蒸气物理活化法制备煤基多孔炭材料,考察了活化时间、原料粒度和脱灰工艺对活化过程以及煤基多孔炭材料性质的影响。此外,本文分别对脱灰后的煤炭化料进行氮掺杂、硼掺杂以及硼氮共掺杂,考察了杂原子掺杂对活化过程以及材料超级电容器性能的影响。研究结果包括如下四个方面：(1)采用炭化-水蒸气活化一步法制备煤基多孔炭材料。随着活化时间的延长,收率下降,材料比表面积升高,合适的活化时间为2h；原料粒度在75-250μm范围内对活化影响不大,当粒度继续增大或减小,则会导致活化过程减弱或加剧；活化后脱灰,收率较高的同时,材料灰分含量较低。活化后脱灰样品在6M KOH电解液中,三电极体系0.5A g-1下比电容值可达149F g-1。两电极体系下,连续循环30000次后容量无衰减,表现出良好的长循环稳定性。(2)利用三聚氰胺、尿素分别与脱灰后的煤炭化料掺杂活化,制得氮掺杂的煤基多孔炭。实验表明,氮掺杂对活化具有明显的促进作用,且三聚氰胺掺杂可以引入更高的氮含量。800℃活化可以获得与850℃无掺杂活化样品相当的孔结构,同时收率提高,氮含量高达2.048wt.%,电容值提高了30%。30000次长循环后容量几乎无衰减。(3)利用硼酸掺杂促进了活化,引入了硼杂原子,含量达到0.69wt.%。材料电容值提高了近30%,10A g-1时电容保持率高达86%。两电极超级电容器长循环稳定性好,20000次循环后容量保持率为95%。(4)利用三聚氰胺和硼酸共同掺杂,促进了水活化的同时,引入了氮、硎杂原子。将材料应用于超级电容器,电容值和倍率均有所改善,电容值高达189F g-1,高出无掺杂样品75%。两电极超级电容器循环稳定,20000次循环几乎无衰减。
