热处理对二氧化锰电化学行为的影响

以高锰酸钾和醋酸锰为前驱体, 通过液相沉淀法合成得到二氧化锰. 在不同温度热处理条件下研究二氧化锰的结构转变及其作为超级电容器电极材料的电化学行为. 采用X射线衍射(XRD), 扫描电镜(SEM), 氮气物理吸附和热重(TG)等手段表征产物的结构特点; 采用循环伏安和恒流充放电等方法表征其电化学行为. 结果表明: 合成的二氧化锰是具有中孔特征的α-MnO₂, 比表面积为253 m²·g^-1, 颗粒尺寸在50-100 nm之间. 350 °C以下的低温热处理使氧化锰仍能保持α-MnO₂的晶体结构, 比表面积为170 m²·g^-1左右, 单电极比电容值由原来未热解时的267 F·g^-1增加到250 °C热处理后的286 F·g^-1. 高温热处理(>450 °C)导致氧化锰逐渐过渡为α-Mn₂O₃, 且表面积下降约为30 m²·g^-1, 比电容急剧下降. 低温热处理后氧化锰的电化学稳定性明显提高, 在50 mV·s^-1的快速扫描速率下, 电极具有良好的倍率特性.     

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%.     

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^-1KOH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高于KC-800。KNC-800在电流密度为0.5 A·g^-1时经过10 000次循环后仍能保持98.3%的初始比电容,表现出优异的循环性能。     

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高于KC-800。KNC-800在电流密度为0.5 A·g^-1时经过10 000次循环后仍能保持98.3%的初始比电容,表现出优异的循环性能。     

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。     

胡萝卜基多孔炭的制备及其电化学电容行为

以冷冻干燥获得的多孔胡萝卜为炭源,经过600℃氮气氛围下炭化和KOH活化,获得了多孔结构的炭材料。采用红外光谱、X-射线粉末衍射、扫描电镜、透射电镜、循环伏安、恒流充放电和交流阻抗对多孔炭进行了微结构和电容性能研究。结果表明:通过活化处理,多孔炭的比表面积从7m²·g^-1大幅提高到147m²·g^-1。而且,活化后的多孔炭产生了414F·g^-1的最大比电容,且电流增至4A·g^-1时的电容保持率为74.5%。而未活化的多孔炭最大电容为253F·g^-1,电容保持率仅为45.1%。此外,活化后的多孔炭还具有优异的电化学稳定性。在5A·g^-1电流下循环8000圈后,其电容保持率高达94%。活化后的多孔炭在电容性能方面的极大改善与其比表面积的大幅提高及介孔的增多有密切关系。     

胡萝卜基多孔炭的制备及其电化学电容行为研究

以冷冻干燥获得的多孔胡萝卜为炭源,经过600℃氮气氛围下炭化和KOH活化,获得了多孔结构的炭材料。采用红外光谱、X-射线粉末衍射、扫描电镜、透射电镜、循环伏安、恒流充放电和交流阻抗对多孔炭进行了微结构和电容性能研究。结果表明:通过活化处理,多孔炭的比表面积从7 m²·g^-1大幅提高到147 m²·g^-1。而且,活化后的多孔炭产生了414 F·g^-1的最大比电容,且电流增至4 A·g^-1时的电容保持率为74.5%。而未活化的多孔炭最大电容为253 F·g^-1,电容保持率仅为45.1%。此外,活化后的多孔炭还具有优异的电化学稳定性。在5 A·g^-1电流下循环8 000圈后,其电容保持率高达94%。活化后的多孔炭在电容性能方面的极大改善与其比表面积的大幅提高及介孔的增多有密切关系。     

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.     

同步合成模板法制备热解炭及其电化学电容性能研究

研究制备新型炭材料是提高电化学电容器性能的有效途径。本文以二氧化硅干凝胶为模板,以合成间苯二酚-甲醛(RF)干凝胶为炭前驱体,采用同步合成模板法制得了比表面积达1100m²·g^-1,孔径分布集中,平均孔径为4.5nm的炭材料。循环伏安研究表明,与比表面积为1720m²·g^-1的活性炭相比,本研究制得的炭材料具有更优异的电化学电容性能,2mV·s^-1时比容量达195F·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.     

活性炭表面担载氧化锰复合电极的电化学电容性能

通过在两种商品活性炭XC-72(比表面250m2·g-1)和YEC-8(比表面1726m·2g-1)电极表面涂刷Mn(NO3)2,并在200℃进行热分解得到表面担载氧化锰的复合材料电极.采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)表征电极的形貌和氧化锰的晶体结构,采用循环伏安、恒流充放电和交流阻抗考察了不同电极的电化学电容性能.结果表明,Mn(NO3)2在200℃的热解产物是α-Mn2O3和α-Mn3O4的混合物.当C和MnOx的质量比为2∶1和9∶1时,XC-72/MnOx中氧化锰的比电容分别达到499和435F·g-1,YEC-8/MnOx中氧化锰的比电容分别达到554和606F·g-1,表明氧化锰的赝电容对电极比电容的贡献十分显著.     

Template‐ and Metal‐Free Synthesis of Nitrogen‐Rich Nanoporous “Noble” Carbon Materials by Direct Pyrolysis of a Preorganized Hexaazatriphenylene Precursor

The targeted thermal condensation of a hexaazatriphenylene‐based precursor leads to porous and oxidation‐resistant (“noble”) carbons. Simple condensation of the pre‐aligned molecular precursor produces nitrogen‐rich carbons with C₂N‐type stoichiometry. Despite the absence of any porogen and metal species involved in the synthesis, the specific surface areas of the molecular carbons reach up to 1000 m² g^?1 due to the significant microporosity of the materials. The content and type of nitrogen species is controllable by the carbonization temperature whilst porosity remains largely unaffected at the same time. The resulting noble carbons are distinguished by a highly polarizable micropore structure and have thus high adsorption affinity towards molecules such as H₂O and CO₂. This molecular precursor approach opens new possibilities for the synthesis of porous noble carbons under molecular control, providing access to the special physical properties of the C₂N structure and extending the known spectrum of classical porous carbons.     

One-step synthesis of nitrogen-doped porous carbon for supercapacitors utilizing KNO<Subscript>3</Subscript> as an electrolyte

Nitrogen-doped porous carbons were prepared using a facile method, with low-biotechnology fulvic acid potassium salts as a precursor. The prepared carbons had a high surface area (1623 m² g^?1) and good electrochemical properties, making them suitable electrode materials for supercapacitors. Nitrogen-doped porous carbons were tested as an electrode in both 6 M KOH aqueous solution and different concentrations KNO₃ aqueous solution. The nitrogen-doped porous carbons with unique microstructure and nitrogen functionalities exhibited a capacitance of 235 F g^?1 in a 6 M KOH aqueous solution. Electrochemical investigation showed that the nitrogen-doped porous carbons exhibited a broad potential operational window in a 2.5 M KNO₃ aqueous solution. Furthermore, a high capacitance retention of 88.1 % was achieved even after 5000 cycles at 1.7 V. Potassium nitrate solutions in a wide range of concentrations were also proven to be promising electrolytes for electrochemical capacitors because they are cheap, noncorrosive, electrochemically stable, and compatible to diverse current collectors.     

Hierarchically Porous Carbons Derived from Metal–Organic Framework/Chitosan Composites for High‐Performance Supercapacitors

Hierarchically porous carbon materials with high surface areas are promising candidates for energy storage and conversion. Herein, the facile synthesis of hierarchically porous carbons through the calcination of metal–organic framework (MOF)/chitosan composites is reported. The effects of the chitosan (CS) additive on the pore structure of the resultant carbons are discussed. The corresponding MOF/chitosan precursors could be readily converted into hierarchically porous carbons (NPC‐V, V=1, 2, 4, and 6) with much higher ratios of meso‐/macropore volume to micropore volume (V_meso‐macro/V_micro). The derived carbon NPC‐2 with the high ratio of V_meso‐macro/V_micro=1.47 demonstrates a high specific surface area of 2375 m² g^?1, and a high pore volume of 2.49 cm³ g^?1, as well as a high graphitization degree, in comparison to its counterpart (NPC) without chitosan addition. These excellent features are favorable for rapid ion diffusion/transport, endowing NPC‐2 with enhanced electrochemical behavior as supercapacitor electrodes in a symmetric electrode system, corresponding to a high specific capacitance of 199.9 F g^?1 in the aqueous electrolyte and good rate capability. Good cycling stability is also observed after 10 000 cycles.     

Excellent electrochemical performance of nitrogen-enriched hierarchical porous carbon electrodes prepared using nano-CaCO3 as template

Recently, tremendous research efforts have been concentrated on developing high-performance electrode materials to meet the ever-increasing energy and power demands in supercapacitors. Herein, we presented a high-capacity supercapacitor material based on nitrogen-enriched hierarchical porous carbons (NHPCs) synthesized by the carbonization of melamine formaldehyde resins using eco-friendly and inexpensive nano-CaCO₃ as template. The effects of carbonization temperature and template content on the porous structure and electrochemical characteristics were compared and discussed in detail. The prepared NHPCs possessed large surface area up to 834 m² g^?1 and high nitrogen content up to 20.94 wt %. As electrode material for supercapacitors, NHPCs exhibited superior electrochemical performances with high specific capacitance (190 F g^?1 at 20 A g^?1), outstanding rate capability (80 %), and excellent cycling stability (over 2,000 cycles at 5 A g^?1) in 1 M sulfuric acid media. The excellent electrochemical performances are due to the synergic effects of unique hierarchical porous microstructure, abundant nitrogen and oxygen functionalities, as well as high degree of graphitization framework.     

香菇生物质基氮掺杂微孔碳材料的制备及其在超级电容器中的应用

采用简易浸泡法和一步碳化/活化法制备香菇生物质基氮掺杂微孔碳材料(NMCs),利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)对材料的结构形貌进行表征,并研究了其超级电容特性。测试结果表明,NMCs的微孔比表面积高达1 594 m~2·g~(-1),且拥有更高数量的含氮官能团,其吡啶型含氮官能团比例也有所提高,展现出优异的超级电容特性。在0.5 A·g~(-1)的电流密度下,其比容量高达325 F·g~(-1),当电流密度上升到20 A·g~(-1)时,其比电容仍然高达180 F·g~(-1),表现出优异的倍率性能;同时,在5 A·g~(-1)的电流密度下,电极经历5 000次充放电循环后具有97.7%的比容量保持率,展现出优异的循环稳定性。这主要归因于NMCs超高的微孔比表面积和丰富的含氮官能团。     

Preparation of activated carbon from waste Camellia oleifera shell for supercapacitor application

The cost-effective activated carbons derived from waste Camellia oleifera shell (COS) by ZnCl₂ activation method are investigated as the active electrode material in electric double-layer capacitors (EDLCs) for the first time. The activation temperature and ZnCl₂/COS impregnation ratio are two key factors affecting the surface area and pore structure of the prepared activated carbons, which accordingly affect their capacitive performances. Electrochemical investigations indicate that the activated carbon (AC-3-600) obtained at the activation temperature of 600 °C and impregnation ratio of 3 shows the maximum specific capacitance of 374 and 266 F?g^?1 in 1 mol L^?1 H₂SO₄ and 6 mol L^?1 KOH electrolytes at 0.2 A g^?1, respectively. The high capacitance of the AC-3-600 is attributed to its high surface area (1,935 m² g^?1), high total pore volume (1.02 cm³ g^?1), and especially the large percentage of micropores (735 m² g^?1). Meanwhile, the activated carbon presents good cycle stability in both acid and alkaline electrolytes during 5,000 cycles at a fair current density of 4 A g^?1. So, we had reasons to believe that the activated carbons from waste COS by ZnCl₂ activation might be one of the innovative carbon electrode materials for EDLCs application.