金属有机骨架衍生氮掺杂碳材料的制备及其电化学性能研究

金属有机框架材料（MOFs）因其高比表面积、高孔容以及结构可调控等特性，可用作自牺牲模板或者前驱体合成纳米多孔炭材料。本文选择以沸石咪唑酯基骨架材料8（ZIF-8）为前驱体，并结合KOH活化法，系统研究了活化剂用量对材料孔结构、比表面积以及电化学性能的影响。所得氮掺杂纳米多孔炭（ZDPC）材料具有超高的比表面积和丰富的介孔结构。以其为电极材料，在2 M KOH中构建了对称超级电容器，在50 W kg^-1功率输出时，可以提供6.4 W h kg^-1的最大能量密度。当最大功率输出为10 k W kg^-1，器件依然具有5.3 W h kg^-1的能量密度，以及良好的倍率性能。在2 A g^-1电流密度下循环1万次，未出现容量衰减。     

纤维素纳米晶模板法制备多级孔炭材料及其电化学性能

以纤维素纳米晶(CNC)为模板,酚醛树脂为碳源,KOH为活化剂,通过高温碳化制备了多级孔炭材料.采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)等手段对合成的一系列炭材料进行了表征.结果表明,前驱体中CNC的降解会形成与CNC直径相当的介孔,KOH活化则会导致炭材料产生大量的微孔和大孔,以及部分4 nm左右较小尺度的介孔,所制备炭材料呈现明显的多级孔特性,其比表面积达554.7 m²/g,总孔体积为0.323 cm³/g.以CNC为模板,KOH活化的炭材料作为电极材料时,在1.0 A/g电流密度下其比电容达202.8 F/g,当电流密度升高至40.0 A/g时,其电容保持率仍达69%,表明该炭材料具有优异的倍率性能;由该电极材料组装的超级电容器在10000次充放电循环后,电容保持率达95%以上,具有良好的循环稳定性.     

蟹壳基氮/氧共掺杂多孔炭的原位制备及其超级电容器性能

采用废弃蟹壳为碳源,KOH为活化剂原位制备了氮/氧共掺杂多孔炭,并研究其作为电极材料在超级电容器中的应用。 固定蟹壳与KOH的质量比为5:3,考察了煅烧温度对所得炭材料产率、孔结构和氮氧含量的影响。 结果表明,蟹壳基炭材料的孔结构和氮/氧含量可通过改变煅烧温度调变。 随着煅烧温度从500 ℃上升至700 ℃,多孔炭的比表面积和孔体积逐渐增大,而氮/氧含量随温度升高则降低。 采用循环伏安和恒流充放电对所得材料的电化学性能进行测试。 结果表明,所得多孔炭的电化学性能取决于其孔结构与氮/氧表面性质的协同作用,其中煅烧温度为600 ℃所得的多孔炭比表面积为612 m²/g,氮和氧含量分别为3.53%和32.8%,在50 mA/g的电流密度下比电容达到310 F/g,循环1000次比电容仍然保持95%以上,展现出良好的电化学性能。     

高功率超级电容器用介孔炭电极材料

以纳米CaCO3为模板、蔗糖为前躯体制备超级电容器用介孔炭电极材料.材料的结构由氮吸附、TEM表征,借助恒流充放电、循环伏安和交流阻抗评价了其在6 mol.L-1KOH电解液中的电化学电容性能.结果表明,蔗糖基介孔炭的比表面积606 m2/g,富含10~30 nm的介孔.恒流放电法测得介孔炭在电流密度50 mA/g下的比电容为125 F/g,大电流倍率性能特别突出.电流密度增大到20 000 mA/g,比电容还保持有88F/g,远高于进口电容炭,该介孔炭是一种很有前景的高功率超级电容器炭电极材料.     

聚苯胺/介孔碳纳米线复合电极材料的制备和性能

以介孔碳纳米线为基体, 通过电化学方法制备了新型聚苯胺/介孔碳纳米线(PANI/MCFs)复合材料, 采用SEM和TEM等手段对样品的结构和形貌进行了表征. 结果表明, 聚苯胺均匀附在介孔碳纳米线表面, 并填充到纳米线介孔孔道中. 将复合材料组装成三电极体系超级电容器, 用循环伏安、 恒流充放电和交流阻抗等方法对材料的电化学性能进行了测试. 结果显示, 在1 mol/L H₂SO₄溶液中, 复合材料的比电容达到391 F/g, 其循环稳定性也得到显著提高.     

微孔-介孔多级孔炭材料的制备及电化学电容性能研究

采用有机-有机自组装法, 并结合后活化法制备了一类具有微孔-介孔复合孔结构的多级孔炭材料(HPC), 并研究了这类材料的电化学电容性能. 孔结构测试表明, 采用KOH后活化法可以在介孔炭的孔壁上控制性地生成微孔. 电化学测试表明, 与文献中报道的硬模板法制备的介孔炭相比, HPC具有更好的电化学电容性能. 在100 mV/s的快速电压扫描速率下, 它的比电容值能达到168.9 F/g. 更值得指出的是, HPC的高频电容性能非常优异, 在1 Hz时的比电容值高达180 F/g, 这一数值优于任何其它类的电极材料. HPC优异的电化学电容性能应当归功于它特殊的多级孔结构, 有助于电解质离子在孔道内的快速扩散.     

壳聚糖基多孔碳材料的制备及其超级电容性能

以胶态SiO₂纳米粒子为模板,壳聚糖为碳源,ZnCl₂为活化剂,制备了具有不同比表面积和孔体积的氮掺杂介孔碳。采用多种表征手段对碳材料的微观形貌、比表面积和孔道结构进行了表征,探究了壳聚糖与SiO₂纳米粒子的比例以及ZnCl₂活化剂对碳材料孔体积和比表面积的影响。结果表明,在未使用活化剂时碳材料(CSi-1.75)的孔体积高达4.53 cm³·g^-1,但其比表面积最小(729 m²·g^-1);使用ZnCl₂作为活化剂制备的碳材料(CSi-1.75-Zn)比表面积为1 032 m²·g^-1,但其孔体积下降到1.99 cm³·g^-1,且具有最多的吡啶氮和吡咯氮。在以6.0 mol·L^-1KOH为电解液的三电极体系中,当电流密度为0.5 A·g^-1时,CSi-1.75...     

双电层电容器用新型无灰煤(HyperCoal)基活性炭的制备

以无灰煤(HyperCoal)为原料,KOH和CaCO3为活化剂制备了煤基活性炭,采用低温N2吸附法表征了活性炭的比表面积和孔结构,测定了活性炭用作双电层电容器(EDLC)电极材料的电化学性能。考察了炭化温度、活化温度、活化时间和活化剂对活性炭电容特性的影响。研究结果表明,比表面积和比电容随着炭化温度的升高而降低,活化温度过高或活化时间太长对比电容有不利影响。此外,CaCO3影响活化过程中孔的开发,显著降低所制备活性炭的比表面积和比电容。在炭化温度为500℃、活化温度为800℃、KOH与焦的质量比为4∶1和活化时间2 h下所得活性炭的比表面积和总孔容分别达到2 540 m2/g和1.65 cm3/g,该活性炭电极在0.5 mol/L TEABF4/PC电解液中的比电容达到最大值46.0 F/g。     

离子液体辅助条件下由稻壳合成超级电容器用多孔炭

本文以稻壳为碳源,以离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(BMIMPF₆)为模板和辅助活化剂制备了多孔炭材料（PCs）. 多孔炭的比表面积达1438 m²·g^-1,总孔容达0.75 cm³·g^-1. 以PCs为超级电容器电极材料,6 mol·L^-1的KOH溶液为电解液组装成扣式电池,在0.05 A·g^-1的电流密度下,比电容高达256 F·g^-1;当电流密度增大至10 A·g^-1,其比电容仍保持在211 F·g^-1,展现出好的倍率性能. 所得的多孔炭电极均表现出优异的循环稳定性. 这一工作以BMIMPF₆作为模板和辅助活化剂,为合成生物质基超级电容器用多孔炭提供了一种新方法.     

阿拉伯糖基有序介孔碳修饰电极检测盐酸奈福泮的研究

以阿拉伯糖为碳源,介孔硅(SBA-15)为模板剂,用硬模板法制备有序介孔碳材料,采用场发射扫描电镜(Scanning Electron Microscopy,SEM)、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)、全自动比表面及孔隙度分析仪(Brunner Emmet Teller,BET)、X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)、X射线光电子能谱(X-Ray photoelectron spectroscopy,XPS)对材料进行表征。用滴涂法将有序介孔碳悬浊液滴在裸玻碳电极表面,得到有序介孔碳修饰电极。用循环伏安法来研究盐酸奈福泮在有序介孔碳修饰的玻碳电极(Glassy Carbon Electrode,GCE)上的电化学行为。在最佳条件下,盐酸奈福泮浓度在1.0×10^-8~1.0×10^-5mol·L^-1范围内与峰电流呈线性关系,相关系数为R²=0.9932,检出限为3.2×10^-9 mol·L^-1。对盐酸奈福片中盐酸奈福泮进行了检测,样品加标回收率为96.84%~102.50%,RSD<5.0%。     

有序介孔碳的合成及其相转变机理的研究

采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为模板剂, 正硅酸乙酯(TEOS)为硅源, 在碱性条件下, 用低温合成方法合成了有序介孔硅, 并以此为硬模板, 蔗糖为碳前驱体, 采用液相浸渍方法填充碳源, 制备出有序介孔碳. 通过XRD、TEM、N₂吸附-脱附等测试方法对其表征, 结果表明合成的介孔材料高度有序, 均具有很高的比表面积(介孔硅, 992～1096 m²/g; 介孔碳, 930～1208 m²/g), 较大的孔容和较窄的孔径分布. 还发现随着反应温度的升高, 介孔硅的结构从二维六方相(p6mm)转变为三维立方相(Ia3d); 介孔碳在复制介孔硅后, 其结构也从三维立方相(Ia3d)转变为四方相(I4₁/a), 并对相转变机理做了初步探讨.     

超高比表面积氮掺杂多孔碳材料的制备及其超级电容性能

以蔗糖为碳源、尿素为氮源、草酸钾为活化剂,通过简单的研磨和高温碳化制备了具有超高比表面积(大于3 000 m²·g^-1)的氮掺杂多孔碳材料。采用多种手段对多孔碳材料的微观形貌、比表面积、孔结构和表面氮物种进行了表征,探究了不同温度下草酸钾和尿素对碳材料的比表面积、氮含量和超级电容性能的影响。结果表明,仅使用草酸钾作为活化剂制备的碳材料KC-800的比表面积为1 114 m²·g^-1,而同时使用草酸钾和尿素制备的样品KNC-800的比表面积高达3 033 m²·g^-1。在以6.0mol·L^-1 KOH为电解液的三电极体系中,当电流密度为0.5 A·g^-1时,KNC-800的比电容为405 F·g^-1,而KC-800的比电容仅为248 F·g^-1。这表明草酸钾和尿素的加入显著提高了多孔碳材料的比表面积和超级电容性能。电容贡献分析表明,KNC-800的双电层电容值和赝电容值均...     

以稻壳热解炭制备镧负载多孔炭复合电极材料

利用稻壳热解炭为原料制备镧负载多孔炭复合电极材料(La/PCs),先将稻壳热解炭分离出炭前驱体,再采用原位活化/负载的方法制备一系列镧负载多孔炭复合电极材料,分别考察了煅烧温度和浸渍比对其吸附性能和电化学性能的影响.采用X射线衍射(XRD)、 X射线光电子能谱(XPS)、扫描电子显微镜/X射线能谱仪(SEM-EDS)和Brunauer-Emmett-Teller比表面积(BET)法研究了该系列镧负载多孔炭复合电极材料的金属结构与价态、元素组成及表面形貌,并分析了孔结构与电容值之间可能存在的关系.结果表明,在6 mol/L KOH电解液中, La/PC＿900/10材料的电容值为269.45 F/g.在电流密度为0.5 A/g时,由其组装的对称超级电容器具有23.45 W·h/kg的能量密度,此时的功率密度为0.70 kW/kg,并且循环5000次后的电容保持率为86.41%.La/PC＿900/10良好的电容性能显示了其作为碳基电极应用于高性能超级电容器的潜力.研究结果为稻壳热解炭的利用和镧在新能源材料领域的应用提供了一条可行路径.     

生物质巨菌草衍生炭的合成及在超级电容器中的应用

将巨菌草低温预碳化处理,得到粉末炭质材料(JPC),再用不同比例的KOH在不同温度下进行活化处理,得到了以微孔和介孔分布为主的无定形炭材料(JPCK1).所合成的炭材料JPCK1-900-4X的比表面积高达3368 m²/g,具有较大的孔隙体积和0.95%(原子分数)的氮含量.电化学测试结果表明,JPCK1-900-4X在超级电容器应用中表现出优异的储能潜力;在电流密度为0.5 A/g时其比电容为311.7 F/g,电流密度提高到10 A/g时比电容为230 F/g;在电流密度为10 A/g时经过5000次充放电循环后其电容保持率为97.5%;在两电极体系下,当功率密度为250 W/kg时,其能量密度可达17.7 W·h/kg.     

焦粉活性炭/Al-Ni(OH)2复合电极材料的制备及其超级容器性能

以焦粉为原料,用HNO3预处理除灰,采用KOH浸渍-煅烧活化法制备焦粉活性炭(CPAC),通过场发射扫描电子显微镜、X射线衍射等表征其形貌,采用BET测试其比表面积、孔结构及孔径分布。初步考察了活化温度、活化时间等对焦粉活性炭电极材料电化学性能的影响。采用共沉淀法制备CPAC/Al-Ni(OH)2复合电极材料,通过恒电流充放电测试及循环伏安测试表征CPAC/Al-Ni(OH)2复合电极材料的电化学性能。结果表明,当活化温度为800℃、活化时间为3 h制得的焦粉活性炭电极材料的电化学性能最佳,比电容达到211 F/g。CPAC-800℃-3 h/Al-Ni(OH)2复合电极材料随Al掺杂量的增大呈现先增大后减小的趋势。在固定Al质量掺杂量为4%,炭镍质量比为1∶1时所得复合材料的比电容量最大:1173.6 F/g。恒电流充放电及循环伏安测试表明Al掺杂量为4%、炭镍比为1∶1的复合材料具有较好的电化学性能。     

基于玉米秸秆合成的多孔生物质炭材料及其电化学储能

以玉米秸秆为原料,合成了高比表面积(2167 m²/g)的多孔生物质炭材料。 优化实验条件即可获得性能最佳的生物质炭电极材料,其在电流密度为1 A/g时的比电容高达390 F/g。 更重要的是,以所得最佳多孔生物质炭为电极材料,3 mol/L 的KOH溶液为电解质,组装了液相对称超级电容器。 该超级电容器在功率密度为818 W/kg时,其能量密度高达7 Wh/kg,在循环10000圈后的电容保持率为91.1%。 同时,将两个这种超级电容器串联充电之后,能够点亮15个LED灯并驱动小风扇正常工作。 这些结果表明,将基于玉米秸秆的多孔生物质炭作为先进电极材料应用于超级电容器具有较大的实际应用价值。     

有序介孔碳/石墨烯/镍泡沫的制备及其对多巴胺的高灵敏度和高选择性检测

柔性生物传感器在可穿戴电子设备中有着广泛的应用前景. 为了获得柔性电化学多巴胺传感器,作者在本工作中首先在镍泡沫表面通过化学气相沉积生长石墨烯,随后通过高温碳化嵌段共聚物与酚醛树脂在石墨烯表面共组装形成的薄膜制备了有序介孔碳/石墨烯/镍泡沫（OMC/G/Ni）复合材料. 其中,镍泡沫可以为复合材料提供具有高导电性和良好柔韧性的金属骨架,而具有垂直排列介孔阵列的有序介孔碳层为复合材料提供了高的电活性表面积,且有利于活性位点的暴露. 值得注意的是,夹在有序介孔碳层和镍泡沫之间的石墨烯极大地增强了各组分之间的相容性,有利于进一步提升复合材料的电化学性能. 作为电化学传感器中的工作电极,OMC/G/Ni体现出优异的多巴胺检测能力. 不但具有宽的线性检测范围（0.05 ~ 58.75 μmol·L^-1）和低检测限（0.019 μmol·L^-1）,还具有良好的选择性、重现性和稳定性. 此外,OMC/G/Ni在弯曲状态下依旧能够保持对多巴胺的高检测能力,证明了其在柔性生物传感器中的应用潜力.     

基于聚多巴胺的氮掺杂碳材料的制备及其电化学性能

多孔碳材料由于高的比表面积、优异的电子传导率、良好的化学稳定性等优点在超级电容器电极材料领域被广泛研究。 碳材料的组成及表面孔结构直接影响其电化学性能,为进一步提高碳材料的电容性能,本文首次以聚多巴胺球为前体,KOH为活化剂,通过高温碳化成功制备了良好电化学性能的氮掺杂多孔碳材料。 通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、 X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)和Raman光谱等对所制备的氮掺杂多孔碳材料进行了形貌及结构组成的表征。 在6 mol/L KOH电解液中, 采用循环伏安、恒电流充放电对多孔碳材料的电化学性能进行了研究。 结果表明,由于双电层电容和赝电容的协同作用,在电流密度为1 A/g时,材料的比电容可达269 F/g,充放电循环1000圈后电容仍可保留初始值的93.5%。     

孔径渐变的有序介孔炭的合成及电化学应用

以SBA-15为模板,硼酸为孔道扩张剂,蔗糖为碳源制备了一系列孔径渐变的有序硼杂介孔炭材料,并研究了其电化学电容性能。氮气静态吸附测试表明,当硼酸物质的量分数从0%增大到75%时,介孔炭的孔径从3.3nm增大至8.1nm,并保持有序的介孔结构。电化学测试表明,在KOH电解液中,硼杂介孔炭比电容明显高于未掺杂硼有序介孔炭,孔道有序性和孔径大小共同影响了炭材料的电容性能。当硼酸物质的量分数为50%时,炭材料的比电容性能最优。     

负载氯的分级多孔炭制备及其脱汞性能的研究

以纳米碳酸钙为模板,水稻秸秆为碳前驱体,采用共热解法制备了负载氯的分级多孔生物质炭。在模拟烟气条件下,利用固定床实验台架研究了生物质碳材料对烟气中的单质汞（Hg⁰）的脱除性能。采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、N₂吸附-脱附（BET）、程序升温脱附（Hg-TPD）以及X射线光电子能谱（XPS）等方法对材料进行表征。结果表明,盐酸浸渍不仅可去除模板产物生成多孔结构,并且有效地将氯负载到材料表面。负载氯的分级多孔炭B1C1-Cl2的比表面积和总孔容分别达到398.1 m²/g和0.4923 cm³/g。在120℃,空速（GHSV）为225000 h^-1时,脱汞效率可达95%。多孔结构有利于气体扩散,高比表面积为材料提供了更多的反应位点,微孔-介孔内表面上的C-Cl共价键为脱汞的主要化学吸附活性位点。