核桃壳基活性炭的四种制备方法优化及其电化学性能研究

本文推荐：该研究系统评估了核桃壳基活性炭（AC）的四种制备工艺（一步/两步法），揭示了加热速率和炭化温度对产物得率、比表面积（SSA）及电化学性能的影响。最优的一步法（M1）在650°C快速热解结合700°C原位活化2小时条件下，制得SSA达744.8?m2?g?1的AC，其比电容达265.62?F?g?1（0.5?A?g?1），且循环稳定性优异（5000次后电容保持率93.41%）。研究首次综合经济性分析表明，M1在时间、能耗和原料成本上均具优势，为生物质高值化利用提供了新策略。

　　

Highlight

本研究以核桃壳（WS）为原料、K₂CO₃为活化剂，通过四种方法制备活性炭（AC），系统探究了制备工艺（一步/两步法）、加热速率和炭化温度对产物得率、AC结构/性能及经济效益的影响。结果表明，三者均显著影响AC的得率与性能。

材料与方法

实验采用0.2–0.45?mm粒径的预处理核桃壳，所有化学品为商业采购。四种方法（M1-M4）差异如下：

• M1：一步法，650°C快速热解后700°C原位活化2小时

• M2：调整M1的加热速率与温度

• M3/M4：两步法，先炭化后活化

产物得率分析

M1的液体和生物炭得率高于M2，但气体产物较少。高温快速热解（如M2）促进共价键断裂，导致挥发分增加。两步法（M3/M4）因分阶段处理，生物炭得率显著高于一步法。

结构表征与电化学性能

比表面积（SSA）：M1最优（744.8?m²?g^?1），归因于一步法的高效孔隙发育。

电化学测试：M1的比电容达265.62?F?g^?1（0.5?A?g^?1），且5000次循环后电容保持率93.41%，优于其他方法。

经济性评估

首次综合对比显示，M1在时间、能耗和原料成本上均最低，单位电容制备成本最优，适合工业化应用。

Conclusions

一步法（M1）通过优化加热速率与温度，实现了AC高SSA和优异电化学性能的平衡，同时具备最佳经济效益，为生物质资源高值化提供了高效路径。