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。     

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。     

表面官能团化增强碳纳米笼超级电容器性能

以具有多级孔结构、高比表面积、良好导电性等特征的碳纳米笼（CNCs）为前体,采用硝酸氧化法在CNCs表面引入含氧官能团。以CNCs为超级电容器电极材料,在相同电流密度下,官能团化样品的比电容显著高于纯CNCs;在1A·g^-1下比电容最高可达到255F·g^-1,比纯CNCs的188F·g^-1增加了34%,这表明表面含氧官能团化能够显著提高CNCs的超级电容器比电容。在100A·g^-1的大电流密度下,硝酸氧化后CNCs的比电容保持在111~167F·g^-1,表明具有良好的耐大电流充放电性能。在10A·g^-1的电流密度下循环10000圈后,CNC-6M样品的比电容由196F·g^-1下降到176F·g^-1,样品的比电容仍保留90%,具有良好的循环稳定性。表面含氧官能团化CNCs所表现出的这种优异的超级电容器性能归因于CNCs的多尺度分级孔结构、高比表面积、良好的导电性、表面亲水性含氧官能团化带来的浸润性提高和引入的赝电容。     

介孔碳/石墨烯复合材料的制备及其醌类改性电容性能

首先利用硬模板法制备出介孔碳/石墨烯复合材料,然后向复合材料中引入具有赝电容活性的醌类分子进一步增大材料的电容性能。研究结果表明,负载30%（w/w）叔丁基氢醌的介孔碳/石墨烯复合材料具有最佳的电容性能,在电流密度为0.5 A·g^-1时,比电容值为355 F·g^-1;当电流密度高达30 A·g^-1时,其比电容值高达226 F·g^-1,比电容保持率为64%,表现出良好的速率特性。     

惰性盐辅助合成介孔石墨化碳片及其电容性能

以惰性盐KCl为模板、硝酸镍为金属催化剂镍源、葡萄糖为碳源,通过碳化处理制备了介孔石墨化碳片。利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X-射线衍射仪和比表面测试仪对介孔石墨化碳片进行了表征。探讨了碳片形成的机理,采用三电极测试体系研究了介孔石墨化碳片电极材料的电化学性能。结果表明,10gKCl制备的碳片比表面积最大（989m²·g^-1）,在6mol·L^-1KOH电解液中,当电流密度为0.5A·g^-1时,比电容达到180F·g^-1;当电流密度达到10A·g^-1时,比电容维持在148F·g^-1,显示了电极具有较好的倍率性能;在10A·g^-1条件下,2000次循环充放电测试后电容没有发生衰减,展示了在超级电容器方面的应用潜力。     

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。     

木糖-软模板水热法制备硼掺杂分级多孔炭球及其电化学性能

以D-木糖为炭源,月桂酸钠为模板剂,硼酸为掺杂剂,通过水热炭化方法制得硼掺杂分级多孔炭球（BPC_S）。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、N₂吸附-脱附测试、X射线光电子能谱（XPS）、顺磁共振波谱（EPR）、傅里叶红外光谱（FT-IR）、拉曼光谱（Raman）、X射线粉末衍射（XRD）、热重（TG）分析对样品进行表征。结果表明：月桂酸钠作为介孔造孔剂的同时,通过与D-木糖间的氢键作用使有机-有机自组装过程自发进行并形成窄尺寸分布（2~5 μm）规整炭球;硼酸在水热中催化炭源脱水降解,并以BC₃、BCO₂和BC₂O的形式掺杂在炭球上,掺硼后炭球与水表面接触角降低,润湿性提高。经CO₂活化、月桂酸钠高温分解以及胶质炭球的堆积分别产生微孔（0.5~1.2 nm）、介孔（3.14~35.00 nm）和大孔（60~146 nm）并形成分级结构。当硼酸加入量为0.927 5 g时多孔炭球（BPC_S-1）的电化学性能最佳,在6 mol·L^-1 KOH三电极体系中电流密度为0.5 A·g^-1时,比电容达287.12 F·g^-1;两电极体系中电流密度为0.5 A·g^-1时比电容达151.34 F·g^-1,能量密度达5.3 Wh·kg^-1;电流密度为5 A·g^-1时进行1 000次充放电循环,电容保持率仍达96.43%。     

线状全固态CNTF@ZnCo-OH//CNTF@RGO超级电容器的制备与电化学性能

采用电化学沉积在碳纳米管纤维上复合锌钴氢氧化物纳米片（CNTF@ZnCo-OH）,并研究其电化学性能。实验结果表明CNTF@ZnCo-OH电极在2 A·g^-1的电流密度下比电容为748 F·g^-1,在10 A·g^-1的电流密度下循环2 000圈以后,比电容保持率高达110.4%。该优异循环性能得益于碳纳米管纤维基底的网络结构和ZnCo-OH的纳米片状结构。以CNTF@RGO（石墨烯）为负极、CNTF@ZnCo-OH为正极,组装线状全固态非对称CNTF@ZnCo-OH//CNTF@RGO超级电容器。该器件在0.5 A·g^-1电流密度下比电容为70 F·g^-1,2 000次循环后电容保持率为79.6%,并且在不同的弯曲状态下保持电化学性能不变,具有优良的机械稳定性。该非对称线状器件可以在0.8~1.4 V之间工作,其能量密度高达19.1 Wh·kg^-1,对应的功率密度为1 400.3 W·kg^-1。2个30 mm长的线状器件可持续点亮LED灯10 s。     

无模板剂合成用于超级电容器的二氧化锰/石墨烯复合材料

以尿素、四水合氯化锰和氧化石墨烯为原料,采用水热法并通过热分解制备了一种具有石墨烯包覆结构的石墨烯-二氧化锰复合材料,利用扫描电子显微镜、X射线衍射、比表面积（BET）、拉曼光谱和热失重等技术对其形貌、晶体结构及表面结构进行了表征;在三电极条件下利用循环伏安法、恒流充放电法和交流阻抗法测试了材料的电化学性能,并考察了不同石墨烯含量对材料比电容的影响. 结果表明,在不添加模板剂的条件下制备的复合材料中二氧化锰是具有介孔结构的α-MnO₂,当复合15%（质量分数）的石墨烯后材料的比表面积从109 m²·g^-1提高到168 m²·g^-1. 复合材料具有更好的电化学性能,在0.2 A·g^-1电流密度下复合材料的比电容达到最大值（454 F·g^-1）,远高于纯二氧化锰的值（294 F·g^-1）. 在2 A·g^-1的电流密度下恒流充放电2000 次后复合材料的比电容保持率为92%.     

脱合金制备纳米多孔双金属氧化物NiMoO4及其电化学性能

采用快速凝固与脱合金相结合的方法制备纳米多孔Ni-Mo合金,然后退火获得三维双连续纳米多孔NiMoO₄,采用XRD、SEM、TEM对多孔NiMoO₄的成分、形貌和结构进行表征,并通过循环伏安、恒电流充放电等方法测试多孔NiMoO₄电极的电化学性能。结果表明,Ni₅Mo₅Al₉₀和Ni_2.5Mo_2.5Al₉₅经脱合金和退火均可获得纳米多孔NiMoO₄,Mo元素对脱合金具有钉扎作用,可减小多孔合金的骨架和孔隙尺寸,由Ni₅Mo₅Al₉₀合金获得纳米多孔NiMoO₄表现出更为优异的超电容性能,其在1 A·g^-1电流密度比容量达708 F·g^-1,当电流密度增加20 A·g^-1,其比容保持率达57.1%。在4 A·g^-1电流密度下循环充放电1 000次,其比容保持率达91.2%。     

多孔硅和掺镨多孔硅的光致发光

多孔硅在室温下发出光致荧光展现了硅用作光电子材料和显示技术材料的前景。掺入希土元素可以改善硅的发光性能。本文首次报道多孔硅掺希土的一种新的电化学掺杂方法——恒电位电解,和一种希土硝酸盐-支持电解质-有机溶剂的新电解体系。这一方法和体系的特点是通过采用适当外加电压来控制电解产物,提高掺入的希土浓度,提高发光强度;同时可避免析出使发光不稳定的产物,提高发光稳定性。优化了阳极氧化制备多孔硅的条件和阴极还原制备掺镨多孔硅的条件(镨化合物浓度、溶剂、离子强度、电解电压、时间),获得了光致发光强度高于多孔硅的掺镨多孔硅,并讨论了多孔硅和掺镨多孔硅的光致发光机制。     

Formation of Foam‐like Microstructural Carbon Material by Carbonization of Porous Coordination Polymers through a Ligand‐Assisted Foaming Process

Porous carbon material with a foam‐like microstructure has been synthesized by direct carbonization of porous coordination polymer (PCP). In situ generation of foaming agents by chemical reactions of ligands in PCP during carbonization provides a simple way to create lightweight carbon material with a foam‐like microstructure. Among several substituents investigated, the nitro group has been shown to be the key to obtain the unique foam‐like microstructure, which is due to the fast kinetics of gas evolution during carbonization. Foam‐like microstructural carbon materials showed higher pore volume and specific capacitance compared to a microporous carbon.     

多孔碳材料的制备

多孔碳材料不仅具有碳材料化学稳定高、导电性好等优点,由于多孔结构的引入,还具有比表面积高、孔道结构丰富、孔径可调等特点,在催化、吸附和电化学储能等方面都得到了广泛的应用。本文综述了微孔、介孔、大孔及多级孔碳等多孔碳材料的最新研究进展,重点介绍了多孔碳孔道结构的调控,并对多孔碳材料的应用进行了展望。     

General routes to porous metal oxides via inorganic and organic templates

The generation of porous metal oxides by removal of template molecules from inorganic polymers formed by sol-gel type hydrolysis and condensation of metal alkoxides is described. The template molecules include organic polymers, copper (II) ions in hybrid copper oxide/silica sols and copper (II) bis(hexafluorocetylacetonate) (hfac). Neutron scattering experiments on the system in which polyacrylic acid (Mw=2,000 Daltons) is used as an organic template to generate microporous tin oxide show that removal of the template generates skeletal voids. In a second series of experiments, mixed copper/silicon oxide xerogels were prepared by hydrolysis of mixtures of Si(OEt)₄ and Cu(OCH₂CH(CH₃)N(CH₃)H)₂ in the ratios of Si:Cu=2:1, 4:1, 9:1. Selective removal (etching) of the copper component generates porous silica. Neutron scattering data and BET surface area measurements are consistent with the creation of pores with molecular dimensions (micropores, 10 Å or less). In the third strategy, Si(OEt)₄ is hydrolyzed in the presence of Cu(hfac)₂, a volatile, inert inorganic template, in a 4 to 1 molar ratio. Removal of the template from the xerogel at 100°C in vacuo affords microporous silica.     

纳米有序体系的模板合成及其应用

评述了以含有高密度的纳米柱形孔道的Al₂O₃膜和有机聚合物膜为模板,制备金属、合金、氧化物、半导体和聚合物及其复合组份的一维纳米结构有序阵列的几种方法、纳米结构的性质和应用的研究进展。可用于模板合成的方法有电化学沉积法、化学镀、化学聚合、化学气相沉积和溶胶-凝胶法等。取决于孔壁和所填充材料的化学性质,所得阵列既可以是由纳米管也可以是由纳米线组成。这样的有序阵列在光学、磁学、催化及电化学等领域有着重要的应用前景。制备新型复合纳米结构有序阵列、开展纳米器件的研制是模板合成研究领域的重要方向。     

多孔金属有机膦酸化合物的制备

本文概述了制备多孔金属有机膦酸化合物的三种途径,即直接反应法,引入第二配体法和引入模板剂的方法,并对多孔金属无机膦酸材料的潜在用途作了简单介绍。     

Fabrication of Cobaltosic Oxide Nanoparticle-Doped 3 D MXene/Graphene Hybrid Porous Aerogels for All-Solid-State Supercapacitors

MXenes are a new family of 2 D transition metal carbides and nitrides, which have attracted enormous attention in electrochemical energy storage, sensing technology, and catalysis owing to their good conductivity, high specific surface area, and excellent electrochemical properties. In this work, a series of Co₃O₄-doped 3 D MXene/RGO hybrid porous aerogels is designed and prepared through a facile in situ reduction and thermal annealing process, in which the reduced graphene oxide (RGO) conductive network can electrically link the separated Co₃O₄-MXene composite nanosheets, leading to enhanced electronic conductivity. It is found that upon using the Co₃O₄-MXene/RGO hybrid porous aerogel prepared with a mass ratio of Co₃O₄-MXene/RGO of 3:1 (CMR31) as an electrode for a supercapacitor, a superior specific capacitance of 345 F g⁻¹ at the current density of 1 A g⁻¹ is achieved, which is significantly higher than those of Ti₃C₂T_x MXene, RGO, and MXene/RGO electrodes. In addition, a high capacitance retention (85 % of the initial capacitance after 10 000 cycles at a high current density of 3 A g⁻¹) and a low internal resistance R_s (0.44 Ω) can be achieved. An all-solid-state asymmetric supercapacitor (ASC) device is assembled using CMR31, and it has the ability to light up a blue LED indicator for 5 min if four ASCs are connected in series. Therefore, these novel Co₃O₄-MXene/RGO hybrid porous aerogels have potential practical applications in high-energy storage devices.     

Charged Porous Polymers using a Solid CO Cross‐Coupling Reaction

Herein, we report a green, fast, efficient mechanochemical strategy for charged porous polymers (CPPs). A cationic CPP with basic anions and an anionic CPP with Li⁺ cations were fabricated by solid grinding under solvent‐free conditions. Compared with solution‐based synthesis, mechanochemical grinding can shorten the reaction time from dozens of hours to several minutes (60–90 min) to form polymers possessing a high molecular mass and low polydispersity. During the construction of CPPs, a Pd‐catalyzed solid polycondensation based on unactivated organic linkers was introduced. In particular, CPPs with basic phenolic or proline anions showed good activity and stability in SO₂ capture, and Li⁺‐functionalized CPPs can be post‐modified to CPPs with other metal ions by ion exchange, highlighting the tailorable feature of ionic‐modified CPPs.