CN113277508A - 一种吸附亚甲基蓝的高比表面积活性炭的制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种吸附亚甲基蓝的高比表面积活性炭的制备方法和应用，本发明将竹粉或竹屑废料放入管式炉中热解炭化制得活性炭中间体，将活性炭中间体与氢氧化钾固体混合均匀后放入管式炉中热解活化制得活性炭；接着将活性炭投入亚甲基蓝水溶液中，利用吸附过程获得杂原子活性炭；再将制得的杂原子活性炭、导电炭黑、聚偏二氟乙烯按比例均匀混合，加入适量N‑甲基吡咯烷酮，将混合物磨成糊状并涂抹于泡沫镍薄片上，105℃烘干12h即可得到超级电容器用活性炭电极材料。本发明制备得到的活性炭比表面积大，吸附效率高，可高效解决染料废水在水环境中难以去除的问题；且活性炭吸附亚甲基蓝后得到的杂原子活性炭比电容高，可用于制备超级电容器用电极材料。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种活性炭材料领域，具体涉及一种吸附亚甲基蓝的高比表面积活性炭的制备方法及其作为超级电容器电极材料的应用。
【背景技术】
印染废水是最难处理的工业废水之一，其中亚甲基蓝作为印染废水的主要成分之一，其水溶液呈碱性，即使排入水体中的浓度很低，也会造成水体透光度下降、水体富营养化等危害，造成水下氧气减少，且有一定的致癌性，对水环境生态系统有很大的危害性。活性炭吸附法是除去水中亚甲基蓝的有效途径之一，其吸附机理是通过离子交换除去水体中的阳离子染料亚甲基蓝，可以有效地使亚甲基蓝中的N原子和S原子掺杂到活性炭中。
超级电容器，也被称为电化学电容器，具有功率密度高、循环寿命长、充放电时间快、维护成本低以及安全性高等优点。与传统电容器相比，超级电容器的能量密度可以达到传统电容器的10倍以上，与电池相比，超级电容器具有更高的功率密度、更快速的充放电时间、更高的充放电效率、更长的使用寿命等优点，近年来在世界范围内得到了广泛的关注，在电动汽车、通讯、电能产业、消费性电子产品等领域有广阔的市场前景。
氢氧化钾是一种常用的活化剂，使用氢氧化钾对生物炭进行活化造孔时会因高温使氢氧化钾处于熔融状态，熔融状态的氢氧化钾更易与生物炭接触，并发生化学反应对炭进行腐蚀。在该反应中，氢氧化钾中的钾离子被还原成K单质，与之反应的炭则被氧化成碳酸根离子，与多余的钾离子结合生成碳酸钾，此过程不仅可以起到造孔的作用，还可以通过腐蚀的效果防止炭发生团聚，可以有效地提高制得的活性炭的比表面积，且得到的孔也不易坍塌。不同的比表面积、表面基团种类、孔隙结构都对活性炭的电容性能有重要的影响，使用活性炭作为超级电容器的电极材料，其理论比电容可达200F/g以上；通过吸附水体中的亚甲基蓝阳离子向活性炭内引入N、S杂原子，可以丰富活性炭表面的官能团种类及数量，从而提高活性炭的比电容。
公开号为CN 112110512 A的中国发明专利中公开了一种高炉镍铁渣的聚合物在吸附亚甲基蓝中的应用，该方法对50mL、100mg/L的亚甲基蓝溶液的吸附效率仅为73.88％，且吸附时间需要6h。公开号为CN 109850893 A的中国发明专利中公开了一种牛骨活性炭的制备方法及应用，该方法使用牛骨为原料经活化制备活性炭，但所得活性炭的比表面积仅105.2m2/g，且对100mL、100mg/L的亚甲基蓝吸附率达到100％需要3h；本方法中所用的活性炭对10mL、1000mg/L的亚甲基蓝吸附率达到100％仅需要30min。公开号为CN 105032383 A的中国发明专利中公开了一种生物质炭染料吸附剂的生产方法，该方法使用竹材制备的生物质活性炭其对亚甲基蓝的吸附容量可达到603mg/g以上，但制备过程需要先将竹粉原料在氯化铁等溶液中在170～240℃下水热8～24h，整体过程能耗较大、耗时较长，制备成本偏高。公开号为CN 107253720B的中国发明专利中公开了一种高比表面积介孔活性炭及其制备方法和在超级电容器中的应用，其比电容为185F/g，但本方法需要先将原料榴莲壳在KOH溶液中浸渍8～12h，整体制备过程耗时较长。公开号为CN 112194133 A的中国发明专利中公开了一种应用于超级电容器电极材料的活性炭材料，其比电容在1A/g的电流密度下可达到299F/g。上述专利的制备过程繁琐，需要对生物质原料进行预处理，使用的药品较多；炭化过程升温速率慢，制备时间长，用时在12h以上，活化后还需要和三氯化铁混合后高温煅烧，能耗大、制备成本高。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种吸附亚甲基蓝的高比表面积活性炭的制备方法，制备得到的活性炭比表面积大，吸附效果好、效率高，可高效解决染料废水在水环境中难以去除的问题。
本发明是这样实现上述技术问题之一的：
一种吸附亚甲基蓝的高比表面积活性炭的制备方法，所述方法步骤如下：
步骤(1)将竹原料烘干后置于氮气保护气氛中，以2～5℃/min的速率升温至350～500℃炭化0.5～2h，制得活性炭中间体；
步骤(2)、然后将制得活性炭中间体与KOH固体以质量比1:1～4:1的炭碱比混合均匀，置于氮气气氛中以2～5℃/min的速率升温至600～900℃活化0.5～2h，制得活性炭。
进一步地，步骤(1)中的所述竹原料为工业生产的竹粉或竹屑废料，含水率为6％～8％。
进一步地，步骤(1)中，先将竹原料粉碎成40～60目的竹粉，洗净后再烘干至恒重。
进一步地，制备得到的活性炭的比表面积为1600～3299m2/g。
本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种吸附亚甲基蓝的活性炭的应用，其吸附亚甲基蓝后得到的杂原子活性炭可作为超级电容器电极材料应用。
本发明是这样实现上述技术问题之二的：
一种吸附亚甲基蓝的活性炭的应用，将活性炭投入亚甲基蓝水溶液中，利用吸附过程获得杂原子活性炭；所述杂原子活性炭可作为超级电容器电极材料应用。
进一步地，亚甲基蓝水溶液浓度为500～5000mg/L，吸附温度为25～40℃，活性炭投放量为0.05～0.5g，吸附时间为30～90min。
本发明要解决的技术问题之三，在于提供一种杂原子活性炭基超级电容器电极材料的制备方法，制备得到的杂原子活性炭电极材料比电容高，可用于制备超级电容器用电极材料，克服活性炭在处理完染料废水后难以回收再利用的问题。
本发明是这样实现上述技术问题之三的：
一种杂原子活性炭基超级电容器电极材料的制备方法，先将活性炭投入亚甲基蓝水溶液中，利用吸附过程获得杂原子活性炭；再将制得的杂原子活性炭、导电炭黑、聚偏二氟乙烯按质量比8:1:1的比例均匀混合，加入5～7滴N-甲基吡咯烷酮，将混合物磨成糊状并涂抹于泡沫镍薄片上，混合物涂覆质量与镍薄片面积的相对用量为2.5～4mg/cm2，并在105℃烘干6～12h，即可得到超级电容器用活性炭电极材料。
进一步地，活性炭投入亚甲基蓝水溶液中，利用吸附过程获得杂原子活性炭，亚甲基蓝水溶液浓度为500～5000mg/L，吸附温度为25～40℃，活性炭投放量为0.05～0.5g，吸附时间为30～90min。
本发明具有如下优点：
本发明将竹粉或竹屑废料放入管式炉中热解炭化制得竹炭，将竹炭与氢氧化钾固体混合均匀后放入管式炉中热解活化制得活性炭。本发明的竹活性炭比表面积为1600m2/g～3299m2/g、对亚甲基蓝吸附量为200mg/g～500mg/g，30min内对亚甲基蓝的吸附率可达到100％，可高效解决染料废水在水环境中难以去除的问题；同时通过吸附过程，将亚甲基蓝中的N、S原子掺杂至活性炭中，提高活性炭的比电容，可用于制备超级电容器用电极材料，克服活性炭在处理完染料废水后难以回收再利用的问题。该制备方法原料廉价易得，生产过程简单方便且环保，制备的竹活性炭电极材料在5mV/s的扫描速率下比电容可达210F/g～290F/g，具有较好的市场空间和应用前景。
总之，本发明利用活性炭吸附性强的特点对亚甲基蓝水溶液进行吸附处理，克服染料废水在水环境中难以去除的问题，并且利用吸附后的活性炭制备超级电容器用电极材料，克服了活性炭在处理完染料废水后难以回收再利用的问题，研发出的杂原子活性炭比表面积大、比电容高，且原料来源广泛、制备工艺简单、过程环保，有利于工业化生产。该活性炭电极材料具有较好的市场空间和发展前景，可应用到电动汽车、电力智能电网、工业电子等领域。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例的亚甲基蓝吸光度标准曲线图(665nm)。
图2为本发明实施例1未吸附亚甲基蓝活性炭的循环伏安曲线图，其中(a)5mV/s和100mV/s的循环伏安曲线图，(b)5mV/s循环伏安曲线放大图。
图3为本发明实施例1吸附亚甲基蓝活性炭的循环伏安曲线图，其中(a)5mV/s和100mV/s的循环伏安曲线图，(b)5mV/s循环伏安曲线放大图。
图4为本发明实施例2吸附亚甲基蓝活性炭的循环伏安曲线，其中(a)5mV/s和100mV/s的循环伏安曲线图，(b)5mV/s循环伏安曲线放大图。
图5为本发明实施例3吸附亚甲基蓝活性炭的循环伏安曲线，其中(a)5mV/s和100mV/s的循环伏安曲线图，(b)5mV/s循环伏安曲线放大图。
【具体实施方式】
本发明涉及一种吸附亚甲基蓝的高比表面积活性炭的制备方法，所述方法步骤如下：
步骤(1)将竹原料烘干后置于氮气保护气氛中，以2～5℃/min的速率升温至350～500℃炭化0.5～2h，制得活性炭中间体；
步骤(2)、然后将制得活性炭中间体与KOH固体以质量比1:1～4:1的炭碱比混合均匀，置于氮气气氛中以2～5℃/min的速率升温至600～900℃活化0.5～2h，制得活性炭。制备得到的活性炭的比表面积为1600～3299m2/g。
步骤(1)中的所述竹原料为工业生产的竹粉或竹屑废料，含水率为6％～8％。
步骤(1)中，先将竹原料粉碎成40～60目的竹粉，洗净后再烘干至恒重。
本发明还涉及上述制备方法制得的吸附亚甲基蓝的活性炭的应用，将活性炭投入亚甲基蓝水溶液中，利用吸附过程获得杂原子活性炭；所述杂原子活性炭可作为超级电容器电极材料应用。其中，亚甲基蓝水溶液浓度为500～5000mg/L，吸附温度为25～40℃，活性炭投放量为0.05～0.5g，吸附时间为30～90min。
本发明又涉及一种杂原子活性炭基超级电容器电极材料的制备方法，所述方法步骤如下：先将活性炭投入亚甲基蓝水溶液中，利用吸附过程获得杂原子活性炭；再将制得的杂原子活性炭、导电炭黑、聚偏二氟乙烯按质量比8:1:1的比例均匀混合，加入5～7滴N-甲基吡咯烷酮，将混合物磨成糊状并涂抹于泡沫镍薄片上，混合物涂覆质量与镍薄片面积的相对用量为2.5～4mg/cm2，105℃烘干6～12h即可得到超级电容器用活性炭电极材料。
下面将结合附图1-5和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1：
一种吸附亚甲基蓝的杂原子活性炭基超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用植物粉碎机将毛竹粉碎成60目竹粉，洗净后于105℃干燥24h。取干燥后的竹粉放入刚玉舟中，在氮气气氛保护下，350℃热解1h，升温速率为2℃/min，待降至室温后取出并研磨成粉末，与KOH固体按碱炭比4:1的比例均匀混合放入镍舟中，在氮气气氛保护下，900℃热解1h，升温速率为2℃/min，待降至室温后取出。将得到的产物用去离子水和乙醇反复冲洗至滤液成中性，在105℃下干燥12h，得到活性炭，该活性炭比表面积为3299.44m2/g。
(2)取步骤(1)中所得到的活性炭0.05g投入10mL的500mg/L亚甲基蓝水溶液中，在30℃下震荡吸附30min，经过滤后得到吸附亚甲基蓝的杂原子活性炭，滤液在665nm波长下紫外吸光度为0.0356，将此吸光度作为y值代入图1中亚甲基蓝标准曲线方程y＝0.9534x+0.1513后，计算可得亚甲基蓝的去除率为100％。
(3)将步骤(2)中所得吸附亚甲基蓝的杂原子活性炭与聚偏二氟乙烯、导电炭黑按8:1:1的比例均匀混合，加入适量N-甲基吡咯烷酮磨成糊状涂抹于1×2cm的泡沫镍薄片上，在105℃下干燥12h，然后以涂有活性炭的泡沫镍为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，Pt电极为对电极，6mol/L的KOH溶液为电解液，组装成三电极体系进行测试。其循环伏安曲线表明，在5mV/s的扫描速率下其比电容高达219F/g，根据表1元素分析测试结果，说明N、S杂原子成功地掺杂到了活性炭上，在100mV/s的扫描速率下其比电容依然有57F/g(图3)。其中，图2是本实施例未吸附亚甲基蓝的活性炭的循环伏安曲线图。
表1实施例1活性炭吸附前后元素含量对比
实施例2：
一种吸附亚甲基蓝的杂原子活性炭基超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用植物粉碎机将毛竹粉碎成50目竹粉，洗净后于105℃干燥24h。取干燥后的竹粉放入刚玉舟中，在氮气气氛保护下，350℃热解1h，升温速率为5℃/min，待降至室温后取出并研磨成粉末，与KOH固体按碱炭比3:1的比例均匀混合放入镍舟中，在氮气气氛保护下，900℃热解1h，升温速率为5℃/min，待降至室温后取出。将得到的产物用去离子水和乙醇反复冲洗至滤液成中性，在105℃下干燥12h，得到活性炭，该活性炭比表面积为1620m2/g。
(2)取步骤(1)中所得到的活性炭0.1g投入10mL的500mg/L亚甲基蓝水溶液中，在30℃下震荡吸附60min，经过滤后得到吸附亚甲基蓝的杂原子活性炭，滤液在665nm波长下紫外吸光度为0.0117，将此吸光度作为y值代入图1中亚甲基蓝标准曲线方程y＝0.9534x+0.1513后，计算可得亚甲基蓝的去除率为100％。
(3)将步骤(2)中所得吸附亚甲基蓝的杂原子活性炭制成电极片，Ag/AgCl为参比电极，Pt电极为对电极，6mol/L的KOH溶液为电解液，组装成三电极体系进行测试。其循环伏安曲线表明，在5mV/s的扫描速率下其比电容高达213.4F/g，且能在图形中看到存在氧化还原峰，说明N、S杂原子成功地掺杂到了活性炭上，在100mV/s的扫描速率下其比电容为80.8F/g(图4)。
实施例3：
一种吸附亚甲基蓝的杂原子活性炭基超级电容器电极材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用植物粉碎机将毛竹粉碎成40目竹粉，洗净后于105℃干燥24h。取干燥后的竹粉放入刚玉舟中，在氮气气氛保护下，400℃热解1h，升温速率为5℃/min，待降至室温后取出并研磨成粉末，与KOH固体按碱炭比4:1的比例均匀混合放入镍舟中，在氮气气氛保护下，800℃热解1h，升温速率为5℃/min，待降至室温后取出。将得到的产物用去离子水和乙醇反复冲洗至滤液成中性，在105℃下干燥12h，得到活性炭，该活性炭比表面积为2797.15m2/g。
(2)取步骤(1)中所得到的活性炭0.05g投入10mL的1000mg/L亚甲基蓝水溶液中，在30℃下震荡吸附60min，经过滤后得到吸附亚甲基蓝的杂原子活性炭，滤液在665nm波长下紫外吸光度为0.0255，代入图1亚甲基蓝标准曲线后计算可得亚甲基蓝的去除率为100％。
(3)将步骤(2)中所得吸附亚甲基蓝的杂原子活性炭制成电极片，Ag/AgCl为参比电极，Pt电极为对电极，6mol/L的KOH溶液为电解液，组装成三电极体系进行测试。其循环伏安曲线表明，在5mV/s的扫描速率下其比电容高达229.2F/g，且能在图形中看到存在明显的氧化还原峰，说明N、S杂原子成功地掺杂到了活性炭上，在100mV/s的扫描速率下其比电容为67F/g(图5)。
综上，本发明将竹粉或竹屑废料放入管式炉中热解炭化制得竹炭，将竹炭与氢氧化钾固体混合均匀后放入管式炉中热解活化制得活性炭。本发明的竹活性炭比表面积为1600m2/g～3299m2/g、对亚甲基蓝吸附量为200mg/g～500mg/g，30min内对亚甲基蓝的吸附率可达到100％，解决染料废水在水环境中难以去除的问题；同时通过吸附过程，将亚甲基蓝中的N、S原子掺杂至活性炭中，提高活性炭的比电容，可用于制备超级电容器用电极材料，克服活性炭在处理完染料废水后难以回收再利用的问题。该制备方法原料廉价易得，生产过程简单方便且环保，制备的竹活性炭电极材料在5mV/s的扫描速率下比电容可达210F/g～290F/g，具有较好的市场空间和应用前景。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (8)
1.一种吸附亚甲基蓝的高比表面积活性炭的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
步骤(1)将竹原料烘干后置于氮气保护气氛中，以2～5℃/min的速率升温至350～500℃炭化0.5～2h，制得活性炭中间体；
步骤(2)、然后将制得活性炭中间体与KOH固体以质量比1:1～4:1的炭碱比混合均匀，置于氮气气氛中以2～5℃/min的速率升温至600～900℃活化0.5～2h，制得活性炭。
2.根据权利要求1所述的一种吸附亚甲基蓝的高比表面积活性炭的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的所述竹原料为工业生产的竹粉或竹屑废料，含水率为6％～8％。
3.根据权利要求1所述的一种吸附亚甲基蓝的高比表面积活性炭的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，先将竹原料粉碎成40～60目的竹粉，洗净后再烘干至恒重。
4.根据权利要求1所述的一种吸附亚甲基蓝的高比表面积活性炭的制备方法，其特征在于：制备得到的活性炭的比表面积为1600～3299m2/g。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述的一种吸附亚甲基蓝的高比表面积活性炭的制备方法制得的吸附亚甲基蓝的活性炭的应用，其特征在于：将活性炭投入亚甲基蓝水溶液中，利用吸附过程获得杂原子活性炭；所述杂原子活性炭可作为超级电容器电极材料应用。
6.根据权利要求5所述的一种吸附亚甲基蓝的活性炭的应用，其特征在于：亚甲基蓝水溶液浓度为500～5000mg/L，吸附温度为25～40℃，活性炭投放量为0.05～0.5g，吸附时间为30～90min。
7.一种吸附亚甲基蓝的杂原子活性炭基超级电容器电极材料的制备方法，其中活性炭是基于根据权利要求1-4任一项所述的一种吸附亚甲基蓝的高比表面积活性炭的制备方法制得的吸附亚甲基蓝的活性炭，其特征在于：
先将活性炭投入亚甲基蓝水溶液中，利用吸附过程获得杂原子活性炭；再将制得的杂原子活性炭、导电炭黑、聚偏二氟乙烯按质量比8:1:1的比例均匀混合，加入5～7滴N-甲基吡咯烷酮，将混合物磨成糊状并涂抹于泡沫镍薄片上，混合物涂覆质量与镍薄片面积的相对用量为2.5～4mg/cm2，并在105℃烘干6～12h，即可得到超级电容器用活性炭电极材料。
8.根据权利要求7所述的一种吸附亚甲基蓝的杂原子活性炭基超级电容器电极材料的制备方法，其特征在于：活性炭投入亚甲基蓝水溶液中，利用吸附过程获得杂原子活性炭，亚甲基蓝水溶液浓度为500～5000mg/L，吸附温度为25～40℃，活性炭投放量为0.05～0.5g，吸附时间为30～90min。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114314771A (zh) * | 2021-12-13 | 2022-04-12 | 江南大学 | 一种活化蓝藻生物炭阴极材料及其在降解抗生素中的应用 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08119614A (ja) * | 1994-10-18 | 1996-05-14 | Mitsubishi Chem Corp | 活性炭、その製造方法及び電気二重層キャパシター用電極 |
| CN102442664A (zh) * | 2011-09-29 | 2012-05-09 | 朱海生 | 竹质双电层类电容器电极活性炭的生产方法 |
| CN102502626A (zh) * | 2011-09-29 | 2012-06-20 | 朱海生 | 竹质环保活性炭的生产方法 |
| CN104891491A (zh) * | 2015-05-29 | 2015-09-09 | 湘潭大学 | 一种超级电容器用竹笋壳基活性炭的制备方法 |
| CN107140633A (zh) * | 2017-07-10 | 2017-09-08 | 扬州大学 | 一种生物质衍生的超高比表面积活性炭的制备方法及其应用 |
| CN108010747A (zh) * | 2017-11-13 | 2018-05-08 | 东华大学 | 一种超级电容器用氮硫双掺杂活性炭的制备方法 |
-
2021
- 2021-05-20 CN CN202110551414.3A patent/CN113277508A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08119614A (ja) * | 1994-10-18 | 1996-05-14 | Mitsubishi Chem Corp | 活性炭、その製造方法及び電気二重層キャパシター用電極 |
| CN102442664A (zh) * | 2011-09-29 | 2012-05-09 | 朱海生 | 竹质双电层类电容器电极活性炭的生产方法 |
| CN102502626A (zh) * | 2011-09-29 | 2012-06-20 | 朱海生 | 竹质环保活性炭的生产方法 |
| CN104891491A (zh) * | 2015-05-29 | 2015-09-09 | 湘潭大学 | 一种超级电容器用竹笋壳基活性炭的制备方法 |
| CN107140633A (zh) * | 2017-07-10 | 2017-09-08 | 扬州大学 | 一种生物质衍生的超高比表面积活性炭的制备方法及其应用 |
| CN108010747A (zh) * | 2017-11-13 | 2018-05-08 | 东华大学 | 一种超级电容器用氮硫双掺杂活性炭的制备方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| MI, BB ET AL.: "Nitrogen Self-Doped Activated Carbons Derived from Bamboo Shoots as Adsorbent for Methylene Blue Adsorption", 《 ORCID MOLECULES》 * |
| 云斯宁: "《功能多孔材料的控制制备及其电化学性能研究》", 31 January 2019, 中国建材工业出版社 * |
| 刘希涛等: "《活化过硫酸盐在环境污染控制中的应用》", 31 May 2018, 中国环境科学出版社 * |
| 张东升等: "高比表面积竹炭基活性炭的孔结构对电容性能的影响", 《林产化学与工业》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114314771A (zh) * | 2021-12-13 | 2022-04-12 | 江南大学 | 一种活化蓝藻生物炭阴极材料及其在降解抗生素中的应用 |
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