基于含锌有机配位聚合物的微孔碳的合成及其电化学性能

报道了一种基于含锌(II)有机配位聚合物制备微孔碳的新方法. 通过锌离子和酒石酸之间的配位作用获得含锌有机配位化合物, 并通过氢键作用将其引入到间苯二酚/甲醛低聚物溶胶的开放网络结构中. 使含锌有机配位化合物和酚醛低聚物溶胶体系发生共聚反应得到酚醛和含锌有机配位共聚物, 在950℃下热处理分解以及锌蒸气蒸发后制得微孔碳. 微孔碳材料典型样品具有相对较大以及比较规则的微孔, 其比表面积可以达到1260 m²·g^-1, 孔体积为0.63 cm³·g^-1. 所得微孔碳作为超级电容器电极材料的等效串联电阻为0.46 Ω, 其循环伏安曲线展示出较好的矩形性. 恒流充放电分析结果表明, 当电流密度为1 A·g^-1时, 微孔碳电极的比电容为196 F·g^-1; 在10 A·g^-1的大电流密度下, 比电容仍然达到137 F·g^-1. 该电极具有优良的循环稳定性, 1000次循环后比电容保持率达到98%. 这一研究结果表明, 所得微孔碳在超级电容器电极材料方面具有重要的应用前景.     

基于羧甲基纤维素钠制备氮掺杂多孔炭及其电容性能研究

以羧甲基纤维素钠(NaCMC)为碳源, 利用直接炭化工艺(无需进一步活化)制备多孔炭材料; 然后, 以CO(NH₂)₂为氮源, 形成了氮掺杂多孔炭材料. 氮的存在形式包括吡啶N、石墨N和吡咯N. 实验结果表明, 羧甲基纤维素钠与CO(NH₂)₂之间的配比可以有效控制氮存在形式、含量、样品的比表面积及孔的结构等. 样品的电化学性能测试表明, 氮掺杂后多孔炭材料的超电容性能得到了显著提升. 以carbon-N-1:20为例, 其比表面积可达858 m²·g^-1, 远高于未经氮掺杂carbon-blank 的463 m²·g^-1, 其质量比电容则由94.0 F·g^-1提高到了156.7F·g^-1.     

由微孔棒状羟基磷灰石为模板合成的新型层次孔炭材料的电化学电容性能

电化学电容器已经成为极具潜力的可满足高功率需求的储能系统器件. 多孔炭具有大比表面积、高导电性、化学惰性、廉价及可调孔结构等优势, 因此成为电化学电容器最为常用的电极材料. 本文报道由微孔棒状羟基磷灰石为模板及蔗糖为碳源合成的新型具有层次孔道结构的孔炭材料的电化学电容器的性能. 采用X射线衍射分析仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱及BET表面分析仪表征了合成的多孔炭的形貌及表面特性. 采用循环伏安法、交流阻抗图谱分析及恒流充放电评价多孔炭材料在1 mol·L^-1硫酸中的电化学电容性能. 多孔炭具有高的比表面积(719.7 m²·g^-1)和大的孔容(1.32 cm³·g^-1), 其无序的孔道由任意分布的微孔、坍塌的中孔及类模板形状的相互交织的棒状中孔组成. 随着炭化温度的增加, 微孔及棒状中孔的密度随之降低, 在炭化温度高达900℃时, 孔径分布图上出现了三个峰. 正是由于这些特殊的结构特征, 由900℃炭化得到的多孔炭制成的电极展示出很好的电化学电容性能.     

锂硫电池正极用硫/介孔碳复合材料的制备及电化学性能

制备了以十二烷基硫酸钠(SDS)为模板的介孔碳,并将介孔碳和单质硫采用熔融渗透法复合制得硫/介孔碳复合材料。SEM、TEM和BET结果显示介孔碳成直径约为500 nm的大小均一的球体,存在孔径为2 nm的微孔;单质硫充分填充在介孔碳的微孔中。以硫/介孔碳复合物作为锂硫电池正极材料时显示出高的电化学性能。初始放电容量高达1519 mAh·g^-1,在200 mA·g^-1的电流密度下充放电200个循环后依然能保持在835 mAh·g^-1。硫/介孔碳复合材料的高倍率性能和优异的循环稳定性,源于介孔碳良好的导电性及其孔结构的固硫作用。     

功能化有序介孔碳对重金属离子Cu(II)、Cr(VI)的选择性吸附行为

以三嵌段共聚物F127为模板剂, 酚醛树脂为碳源, 正硅酸乙酯为硅源, 三组分共组装合成介孔碳?氧化 硅纳米复合物, 再经HF去除氧化硅, 得到有序介孔碳(OMC). X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、低温 N2吸脱附(BET)等测试表明, 所得样品具有高度有序的介孔结构, 比表面积和孔容分别为1330 m²·g^-1和2.13 cm³·g^-1, 平均孔径6.4 nm. 对其先氧化、后氯化、再胺化, 得到不同胺基接枝量的胺化介孔碳(C-NH₂(m), m为加入的乙二胺的质量(g)). 傅里叶变换红外(FT-IR)光谱表征结果证实, 胺基官能团成功接枝到有序介孔碳表面.TEM测试表明介孔碳的有序孔道结构得到了较好的保持. 以有序介孔碳、胺化介孔碳作吸附剂对Cu(II)、Cr(VI)进行选择性吸附研究. 结果表明: 功能化修饰前, 样品对Cu(II)、Cr(VI)饱和吸附量分别为213.33、241.55 mg·g^-1; 修饰后饱和吸附量可分别达到495.05、68.21 mg·g^-1. 功能化介孔碳表现了较强的选择性吸附Cu(II)的能力.     

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1032 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^-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,CSi-1.75-Zn的比电容为344 F·g^-1,而CSi-1.75的比电容仅为255 F·g^-1。这表明碳材料的比表面积对超级电容性能影响最大,而孔体积影响较小。电容贡献分析结果表明,相对于CSi-1.75,CSi-1.75-Zn的双电层电容和赝电容都得到了提高,这表明更大的比表面积和更多的吡啶氮和吡咯氮有利于提高碳材料的超级电容性能。     

碳气凝胶活化对于电极嵌锂性能的影响

碳气凝胶由于其对于可充电锂离子电池的高能嵌锂特性, 近年来受关注程度逐渐增加. 碳气凝胶以间苯二酚-甲醛在碳酸钠催化下, 通过溶胶-凝胶工艺、常压干燥技术、碳化、活化后制得. 经CO₂气体活化后的碳气凝胶结合了无定型和纳米多孔结构的优点, 在材料原有基础上丰富了多孔结构, 增加了嵌锂点位. 其中, 微孔提供了高比表面积和孔体积以容纳锂及其化合物; 介孔则提供了锂离子大量传输的通道, 从而使得电极具有更高的离子电导率. 这些微结构的优化使材料获得了更高的嵌锂比容量. 此外, 活化碳气凝胶显示了2032 m²·g^-1的比表面积. X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)的测试结果分别表明了其无定型特质以及纳米颗粒的网络状骨架. 该材料在首次和第50次恒流充放电(50 mA·g^-1)循环的嵌锂容量分别为3870和352 mAh·g^-1, 对应的可逆容量分别为658 和333 mAh·g^-1. 表明了CO₂活化对于改善碳气凝胶嵌锂性能的可行性, 且对于其它多孔电极材料的制备及特性优化提供了一种途径.     

电化学双电层电容器电极材料——豌豆荚基活性炭的制备与表征

以豌豆荚为碳源、ZnCl₂或KOH为活化剂制备了活性炭, 并用作双电层电容器的电极材料. 采用比表面及孔隙度分析仪表征了豌豆荚基活性炭的孔结构. 通过KOH或ZnCl₂活化后, 活性炭比表面积从1.69 m²·g^-1增大到2237或621 m²·g^-1. 采用循环伏安法和恒流充放电测试技术表征了豌豆荚基活性炭的电化学特性. 结果表明: 在6 mol·L^-1 KOH溶液中经KOH活化处理的活性炭的质量比电容高达297.5 F·g^-1, 并具有良好的充放电稳定性, 在5 A·g^-1的高电流密度下循环充放电500次后, 质量比电容仅衰减8.6%.     

有机物单层分散在相关材料制备中的应用

与无机氧化物和盐类在载体表面自发单层分散相类似, 许多有机物也可以在载体表面自发单层分散.有机物在载体表面单层分散行为和分散后的存在状态与有机物分子形状和结构特点及载体表面性质和孔结构有关. 利用有机物在载体表面的单层分散, 可以设计制备具有优异性能的材料. 本文简要综述了近年来这方面研究工作取得的相关进展, 主要介绍了有机物单层分散在碳/氧化物复合物、氧化物和薄壁中孔碳材料的制备和织构调控方面的一些应用实例. 单层分散的有机物热分解后可在载体表面形成均匀的薄碳层, 以无机多孔氧化物为载体可制备出包覆均匀碳薄层的碳/氧化物复合物, 这种碳/氧化物复合物在染料吸附、催化剂载体和光催化方面显现出好的性能. 以溶胶-凝胶法制备氧化物时, 分散的有机物可以隔离溶胶颗粒, 从而制备出高比表面积的氧化物并可对孔容进行调控, 以此方法制备的γ-氧化铝比表面积可达506 m²·g^-1. 在惰性气氛中加热上述碳/氧化物复合物, 碳层可抑制氧化物的相变; 而在氧气中, 碳层燃烧发热会促进相变, 由此可快速制备超细α-氧化铝. 包覆均匀碳薄层的氧化物载体对碳起支撑作用, 在将氧化物溶解去除后, 可便捷制得高比表面积、大孔容、高中孔率的薄壁中孔碳材料, 碳材料的形貌、孔径分布等可通过选用不同织构的氧化物载体进行调控.     

溶胶-凝胶伴随相分离制备SiO2多孔块体

以正硅酸甲酯(TMOS)为前驱体, 0.01 mol·L^-1盐酸(HCl)为催化剂, 环氧丙烷(PO)为凝胶促进剂, 粘均分子量(M_v)为10000的聚氧化乙烯(PEO)为相分离诱导剂, 采用溶胶-凝胶伴随相分离制备SiO₂多孔块体材料,利用差热分析(DTA)、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、汞压、N₂吸附/脱附等测试技术对所制得的SiO₂多孔块体进行了表征, 探讨了环氧化物调控溶胶-凝胶以及PEO诱导相分离机理. 结果表明, 加入PEO能诱导SiO₂凝胶发生相分离, 当PEO/TMOS摩尔比为0.0018时, 可以获得共连续多孔结构的SiO₂块体材料, 其大孔孔径分布在1-3 μm之间, 比表面积达719 m²·g^-1, 孔体积为0.48 m³·g^-1. 环氧丙烷因其环氧原子的强亲核性和不可逆的开环反应, 促进溶胶-凝胶转换, 同时借助吸附在SiO₂低聚物上的PEO诱导SiO₂凝胶相分离, 从而制备共连续大孔及骨架结构的多孔块体.     

双峰孔分布薄壁中孔碳的便捷制备

以廉价的γ-氧化铝为模板制备薄壁中孔碳材料,且可在制备过程中方便地对碳材料的孔结构、微孔率等参数进行调控.以原位聚合的酚醛树脂为碳源取代蔗糖,简化了制备流程.制得的碳材料不仅可以较好地复制氧化铝模板的孔结构,且比表面积比以蔗糖为碳源的样品显著提高.在此基础上,选用模板堆积孔径与模板自身直径差异较大的长棒状氧化铝为模板,成功地以一种模板、经过一次聚合-碳化过程制备出了具有双峰孔分布(PSD)结构的薄壁碳材料,两个峰分别位于4 nm附近的较小中孔区和13 nm附近的较大中孔区.此外,所得碳材料的比表面积(>1800 m2·g-1)和孔容(>4.5 cm3·g-1)均很高,而微孔率却较低,具有优异的中孔特性.将所得碳材料用作电化学电容器的电极,电容可达200 F·g-1,且当电流密度从0.1 A·g-1升至1.0 A·g-1时,比电容仅衰减10%,表现出良好的电容性能.     

有序中孔炭的电化学储氢性能

将蔗糖、聚环氧乙烯-聚环氧丙烯-聚环氧乙烯三嵌段共聚物和硅源构成的复合物进行预炭化、炭化和除硅处理合成出有序中孔炭, 采用XRD、TEM、HRTEM和N2吸脱附等手段对其进行表征, 并将有序中孔炭制成电极开展恒流充放电储氢性能研究. 结果显示, 具有较高比表面积(720 m2·g-1)和孔容(0.86 cm3·g-1)的有序中孔炭材料的电化学储氢容量为70.1 mAh·g-1, 高于具有相对较低比表面积(610 m2·g-1)和孔容(0.66 cm3·g-1)的有序中孔炭储氢容量(64.1 mAh·g-1). 通过与单壁碳纳米管电极(25.9 mAh·g-1)的对比, 表明有序中孔炭具有良好的电化学储氢性能和更高的电化学活性.     

同轴静电纺丝法制备TiN@MnO纤维及其电化学性能研究

本文以钛酸四丁酯和乙酰丙酮锰为起始原料,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为分散剂分别配制高分子溶液. 采用同轴静电纺丝法制备了TiN@MnO前驱体,并经氨气处理得到了具有芯-壳结构的TiN@MnO同轴纤维. 采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线能量色散谱(EDX)和物理吸附仪分析、观察和表征TiN@MnO同轴结构纤维,其比表面积达16 m2?g-1. 循环伏安曲线测试(CV)表明,在20 mV?s-1倍率下,TiN@MnO同轴纤维电极比电容保持率为2 mV?s-1倍率下的81%,充分说明TiN和MnO两种组分的协同效应提高了电极的倍率性能.     

碳气凝胶的孔结构及其对电化学超级电容器性能的影响

通过改变碳气凝胶的溶胶-凝胶制备条件和炭化活化工艺,实现了对碳气凝胶纳米孔洞结构的控制.采用扫描电子显微镜(SEM)和氮气等温气体吸附法对碳气凝胶和KOH活化碳气凝胶的形貌和孔结构进行了表征和分析,并且使用循环伏安法(CV),恒流充放电,电化学阻抗谱(EIS)等检测技术评价了电化学性能.结果表明:发达的三维纳米网络结构与合理的孔径分布是影响碳气凝胶电化学超级电容器性能的关键因素.经适度活化后的碳气凝胶材料含有丰富的介孔,比表面积可达1480m2·g-1.在6mo·lL-1的KOH溶液中,在100mV·s-1的扫描速率下其比电容量高达216F·g-1.通过拟合发现,碳气凝胶类材料的大孔和介孔拥有更高的单位面积比电容量.     

High surface area, mesoporous, glassy alumina with a controllable pore size by nanocasting from carbon aerogels

A strategy to synthesize amorphous, mesoporous alumina by nanocasting has been developed, involving carbon aerogel as a hard template and aluminum nitrate solution as an alumina precursor. The alumina generated exhibits small, transparent granules with a 3-6 mm diameter and has inherited the three-dimensional network structure of the carbon template. The mesopore surface area of the alumina can be as high as 365 m2 g(-1), and the pore volume reaches 1.55 cm3 g(-1) after calcination at 600 degrees C in air for 8 h. The pore parameters can be varied within a certain range by variation of the carbon aerogel template and the loading amount of the alumina precursor. At high loadings, the obtained glassy alumina clearly has a bimodal pore size distribution in the mesopore range.     

一种三叶草型氧化铝/碳纳米纤维复合材料的制备及表征

采用催化化学气相沉积法, 以Ni为催化剂、乙烯作为碳源, 制备了三叶草型氧化铝/碳纳米纤维复合材料, 并通过N2物理吸附、扫描电子显微镜、X射线衍射分析和强度测试对氧化铝/碳纳米纤维复合材料的形貌和物理性能进行了表征. 结果表明, 三叶草型氧化铝表面生长了碳纳米纤维层, 两者紧密结合, 形成的氧化铝/碳纳米纤维复合材料具有较高的比表面积(>187 m2·g-1)和孔体积(>0.24 cm3·g-1), 孔道直径在3-10 nm 的孔体积超过总孔体积的85%, 颗粒的侧压强度大于6 N·mm-1, 可以满足工业催化剂载体对强度的要求. 复合材料是一种有良好的工业应用前景的中孔催化材料, 其中碳纳米纤维层的厚度可通过催化剂Ni负载量和生长时间的调节加以控制.     

TiO2@MWNTs纳米复合材料的制备及其储锂性能

以TiOSO4为钛源,多壁碳纳米管(MWNTs)为载体,溶剂热法制备了多壁碳纳米管/二氧化钛纳米复合材料(TiO2@MWNTs),并利用XRD,SEM,TEM,N2吸附-脱附和TG-DSC等测试手段对合成产物的结构和形貌进行表征,用恒流充放电测试研究TiO2@MWNTs纳米复合材料的储锂性能.N2吸附-脱附曲线和孔径分布曲线证实TiO2@MWNTs存在多级孔道结构以及较大的比表面积.电化学测试结果表明,与纯TiO2颗粒相比,TiO2@MWNTs纳米复合材料具有更好的容量保持率和倍率性能.在1 C倍率下,复合材料的可逆容量为200 mAh?g-1,循环100圈后容量仍达182 mAh?g-1,即使在10 C大倍率下,容量约为100 mAh?g-1左右.     

活性炭二次活化对其电化学容量的影响

为进一步提高作为电化学超级电容器电极材料活性炭的电化学容量, 采用KOH作为二次活性剂, 将所得活性炭进行二次化学活化处理, 从而得到二次活化活性炭. 将原始活性炭材料与二次活化活性炭材料都分别经过系列处理, 组装成电化学超级电容器进行电化学性能测试. 测试结果表明, 二次活化活性炭材料的电化学容量达到145.0 F·g-1(有机电解液), 远远大于原活性炭材料的容量(45.0 F·g-1). 为研究二次活化活性炭材料电化学容量大幅提高的原因, 将这两种材料分别进行微观结构数据测试, 包括比表面积、N2吸脱附等温曲线和孔径分布. 研究结果表明, 二次活化处理大大增加了二次活化活性炭材料在孔径为2-3 nm的中孔分布, 从而证实对于有机电解液, 电极材料在2-3 nm的中孔对其电化学容量的提高具有重要意义.     

用于超级电容器电极材料的聚苯胺基碳(英文)

在不同温度下碳化硫酸掺杂的聚苯胺制备了含杂原子(氮和氧原子)的新型碳材料.分别通过扫描电镜、元素分析仪、X射线光电子能谱仪和比表面积测试仪对这些碳材料的形貌特征、元素组成、表面化学组成和比表面积进行了表征.用循环伏安法、恒电流充放电法和交流阻抗法对其进行了电化学性能的研究.研究结果表明,在温度为800℃下碳化聚苯胺得到的碳有很好的电化学性能,尽管它的比表面积很小(325m·2g-1),但在0.5A·g-1电流密度下其比电容高达153F·g-1.它的高比电容可能与其含有合适比例的杂原子(氮和氧原子)有关,因为合适比例的氮和氧杂原子能够产生最大的赝电容.这些结果表明这种碳材料是一种很有发展前景的超级电容器电极材料.     

介孔-C/MnO2非对称超级电容器的研究

以氧化硅介孔分子筛SBA-15为模板制备出介孔MnO2和介孔炭, 并分别作为正极和负极在6 mol·L-1 KOH电解液中组装出新型非对称超级电容器. 小角X射线衍射(LXRD)、透射电镜(TEM)以及N2吸附-脱附测试表明样品具有介孔结构, 且比表面积较大, 孔径分布范围较窄. 采用恒流充放电、循环伏安、交流阻抗等电化学方法考察了非对称超级电容器的性能. 在0.1 A·g-1电流密度、不同充放电电位下进行研究, 得出最佳充放电电位为1.8 V. 结果表明, 在0.1 A·g-1电流密度、1.8 V的充放电电位下电容器的充放电性能良好, 等效串联电阻(ESR)为1.15 Ω, 功率密度为89.0 W·kg-1, 能量密度达31.3 Wh·kg-1, 首次放电比容量为76.7 F·g-1, 经过1000次循环容量仍保持在69.5 F·g-1.