研究背景与目的

本研究由邢宝林、李龙、马爱玲、张传祥和谌伦建等人合作完成，主要来自河南理工大学材料科学与工程学院以及河南工程技术学校。研究发表于《材料导报B：研究篇》2013年9月（下）第27卷第9期。研究的核心是通过微波加热活化法制备煤基活性炭，并评估其作为超级电容器电极材料的电化学性能。

超级电容器作为一种新型储能器件，具有高功率密度、快速充放电、长循环寿命等优点，广泛应用于汽车工业、航空航天、电子工业等领域。电极材料是超级电容器的核心部件，活性炭因其发达的孔隙结构、化学稳定性及低成本，成为制造超级电容器电极的首选材料。微波加热作为一种新型加热方式，具有加热速度快、效率高、节能环保等优势，近年来在活性炭制备领域引起了广泛关注。

本研究旨在通过微波加热活化法，以内蒙古优质褐煤为原料，制备高性能的超级电容器用活性炭，并对其孔结构和电化学性能进行系统研究，与商业化活性炭进行对比，探讨其应用前景。

研究方法与流程

研究的主要流程包括以下几个步骤：

1. 原料准备：使用内蒙古优质褐煤作为原料，经过破碎、筛分至粒度小于0.5 mm。原料煤的工业分析和元素分析结果显示，其挥发分含量较高，适合作为活性炭的原料。

2. 微波法活性炭的制备：将活化剂氢氧化钾（KOH）与原料煤按质量比3:1混合，加入少量去离子水搅拌均匀，室温静置后干燥。随后，将活化料置于微波烧结炉中，在700 W功率、2450 MHz频率下活化20分钟，整个过程在高纯氮气保护下进行。活化结束后，用盐酸浸泡并洗涤至中性，干燥后得到活性炭产品（命名为MH-AC）。

3. 孔结构表征：采用低温氮气吸附法测定活性炭的孔结构，使用BET法计算比表面积，t-plot法计算微孔孔容，BJH法计算中孔孔容，并通过密度函数理论（DFT）分析孔径分布。

4. 超级电容器组装与电化学性能测试：将活性炭、导电炭黑和聚四氟乙烯（PTFE）乳液按质量比85:10:5混合，压制成电极片，组装成硬币型超级电容器。使用恒流充放电、循环伏安和循环性能测试等方法评估其电化学性能。

研究结果

1. 孔结构特征：在碱炭比为3、微波活化时间为20分钟的条件下，制备的活性炭比表面积达2593 m²/g，总孔容为1.685 cm³/g，中孔率为67.3%，平均孔径为2.61 nm。与商业化活性炭Maxsorb相比，微波法活性炭的中孔率更高，孔径分布更宽，显示出更优异的孔结构特征。

2. 电化学性能：

   • 恒流充放电性能：在3 mol/L KOH电解液中，微波法活性炭的比电容为346 F/g（50 mA/g），电流密度提高到10 A/g时，比电容降至273 F/g，显示出良好的功率特性。
   • 循环伏安特性：微波法活性炭的循环伏安曲线呈近似矩形，表明其具有良好的可逆性和双电层电容特性。
   • 循环性能：经过1000次循环充放电后，微波法活性炭的比电容保持率为93.2%，显示出优异的循环稳定性。

研究结论

1. 通过微波加热活化法，成功制备出具有高比表面积、发达孔隙结构和优异电化学性能的煤基活性炭。
2. 微波法活性炭在超级电容器应用中表现出优异的电化学性能，尤其是在高电流密度下的功率特性和循环稳定性方面，优于商业化活性炭。
3. 该研究为超级电容器电极材料的开发提供了新的思路，具有广阔的应用前景。

研究亮点

1. 创新性制备方法：采用微波加热活化法制备活性炭，与传统加热方式相比，具有加热速度快、效率高、节能环保等优势。
2. 优异的孔结构：制备的活性炭具有高比表面积、发达的中孔结构和较宽的孔径分布，显著提升了其电化学性能。
3. 优异的电化学性能：微波法活性炭在超级电容器应用中表现出高比电容、良好的功率特性和循环稳定性，优于商业化活性炭。

研究意义

本研究不仅为超级电容器电极材料的开发提供了新的技术路径，还为煤基活性炭的高效制备和应用提供了理论依据和实践指导。通过微波加热活化法，能够显著提升活性炭的孔结构和电化学性能，具有重要的科学价值和实际应用前景。

参考文献

研究引用了多篇相关文献，涵盖了超级电容器、活性炭制备及微波加热技术等领域的最新进展，进一步支持了研究的科学性和创新性。

综上所述，本研究通过微波加热活化法制备了高性能的煤基活性炭，并系统评估了其作为超级电容器电极材料的电化学性能，为相关领域的研究和应用提供了重要的参考。