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.     

纳米多孔结构镍基复合膜电极的电化学法制备及其电容特性

通过对电沉积法得到的Ni-Cu合金镀层进行电化学去合金化处理, 制备了纳米多孔结构金属镍膜. 采用循环伏安法对多孔金属镍膜在1 mol·L^-1 KOH溶液中进行阳极氧化处理, 获得了纳米多孔结构的镍基复合膜电极. 应用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和电化学技术对所制备的膜电极的物理性质及赝电容特性进行了表征. SEM、XRD和XPS的测试结果表明, 所制备的纳米多孔结构镍基复合膜由Ni、Ni(OH)₂和NiOOH组成. 电化学实验结果显示, 该复合膜在20 A·g^-1的充放电电流密度下, 给出了578 F·g^-1的初始比电容; 在1000次充放电循环后, 它的比电容值为544 F·g^-1, 电容保持率为94%. 纳米多孔结构有利于KOH电解液的渗透, 从而促进反应物种在电极内部的传输; 纳米多孔的金属镍基体可以提高Ni(OH)₂膜的电子导电性; 纳米大小的Ni(OH)₂颗粒能够缩短质子的固相扩散路径. 上述因素是所制备的纳米多孔结构镍基复合膜电极具有优异赝电容特性的主要原因.     

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.     

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。     

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。     

污泥活性炭的结构特征及表面分形分析

以城市污水厂污泥为主要原料添加适量添加剂, 采用ZnCl₂化学活化法制备的污泥活性炭, 借助XRD, BET法, FT-IR, SEM等现代分析测试方法结合液相吸附法, 表征结构特征和分析表面分形维数. 结果表明: 在适宜的活化温度、活化时间、ZnCl₂浓度、原料粒度等工艺条件下, 加入少量添加剂制备的污泥活性炭, 最可几孔径分布在4.16 nm左右,平均孔容0.4484～0.5122 mL•g^－1, 比表面积为634.8～748 m²•g^－1, IR峰中出现C—OH, C—H, N＝O, C＝C功能组, 孔结构是具有平行壁的狭缝状介孔结构. 由液相吸附法得到的污泥活性炭分维近似为2, 属于低分维二维表面.     

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%.     

淀粉基炭负载纳米铜催化合成碳酸二甲酯

以硝酸铜和可溶性淀粉为原料, 经过溶胶-凝胶化过程、高温炭化和KOH活化得到炭负载铜催化剂(Cu/C), 采用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射、热重-差热分析仪、N₂吸附和CO程序升温脱附对催化剂结构进行了表征, 并考察了它在甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯(DMC)反应中的催化活性. 结果表明, 活化温度和KOH用量对催化剂的表面结构及金属铜粒子尺寸影响显著, 当活化温度为850℃, KOH:C=1 (质量比)时, Cu/C催化剂的比表面积达到1690 m²/g, 铜纳米粒子平均晶粒尺寸为30.4 nm, 催化活性最高, DMC时空收率达到235.7 mg·g^-1·h^-1, 甲醇转化率和DMC选择性分别为1.6%和76.5%.     

一种新碳源包覆的LiFePO4/C正极材料的合成及性能

以富含植物蛋白的豆浆作为碳源, 以FePO₄·4H₂O和LiOH·H₂O为原料, 采用流变相方法合成了锂离子电池正极材料LiFePO₄/C. X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)的表征结果显示, 样品具有良好的结晶性能, 平均粒径约200 nm, 颗粒表面有均匀网络状的碳包覆. 充放电循环研究结果表明: LiFePO₄/C具有稳定的电化学循环性能, LiFePO₄/C正极材料在0.1C倍率下首次放电比容量达到156 mAh·g^-1, 首次充放电效率达到98.7%; 循环40次后, 放电比容量为149 mAh·g^-1, 电池容量保持率在95%以上, 1C倍率下首次放电比容量达到134.7 mAh·g^-1, 显示出较高的电化学容量和优良的循环稳定性.     

含磷活性炭作为双电层电容器电极材料的电化学性能

采用磷酸活化和磷酸改性制备了不同种类的含磷活性炭,采用元素分析、X射线光电子能谱(XPS)和氮气吸附等手段分析了活性炭的元素含量、表面化学性质和孔隙结构,采用恒电流充放电、循环伏安和交流阻抗分别考察了活性炭在KOH和H₂SO₄电解质溶液中作为超级电容器电极材料的电化学性能,采用自由截距多元线性回归拟合统计分析研究了活性炭电极比电容量的影响因素,应用三电极体系分析了磷元素对活性炭电化学性能的影响机理。研究结果表明,活性炭掺杂的磷引入了赝电容,提高了活性炭电极的比电容量,磷元素含量为5.88%(w)的活性炭的比电容量在0.1 A·g^-1下达到185 F·g^-1。统计分析结果显示,活性炭的中孔有利于电解质离子向微孔内的扩散。在6 mol·L^-1 KOH电解质溶液中,孔径在1.10-1.61 nm、2.12-2.43nm及3.94-4.37 nm范围内是电解质离子在活性炭孔隙内部形成双电层的主要场所;在1 mol·L^-1 H₂SO₄电解质溶液中,孔径在0.67-0.72 nm范围内有利于双电层电容的形成。     

多孔碳材料的化学气相后处理及其超级电容性能

以廉价的椰壳为原料制备了高比表面积的多孔碳材料,然后在密闭的反应釜中以硝酸蒸汽对多孔碳材料进行了后处理,制备了亲水性更好的多孔碳材料。采用扫描透射电子显微镜(TEM)、物理吸附、X射线粉末衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和接触角测试对材料的微观形貌、孔道结构、组成和亲水性进行了表征,探究了不同温度下硝酸蒸汽对多孔碳材料的形貌、结构的影响,并采用循环伏安法、恒电流充放电法和交流阻抗法考察了多孔碳材料的超级电容性能。结果表明,经过硝酸蒸汽处理后的多孔碳材料的比表面积和孔体积均有所降低,且随着处理温度的升高,降低得更加明显,而亲水性却越来越好。电化学测试结果表明,经过100℃硝酸蒸汽处理的多孔碳材料(CSC-100)具有最佳的超级电容性能。在以6 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CSC-100的比电容可达452.9 F·g^-1,而未经硝酸蒸汽处理的多孔碳材料(CSC)的比电容仅为350.4 F·g^-1。电容贡献分析表明CSC-100良好的亲水性和表面官能团不仅提高了双电层电容,也提高了赝电容。     

蜂巢状多孔明胶制备高性能超级电容器用活性炭

近年来,以生物质为前驱体来制备碳材料因其资源丰富、廉价易得、无污染且可再生等优点而引起人们的广泛关注。本文将生物质明胶制备成呈蜂巢状的多孔结构,并以此为前驱体经碳化、活化制备活性炭。研究表明,与商品化明胶相比,由多孔明胶所制备的活性炭其比表面积(可高达3692 m~2?g1)及超级电容器性能均有明显提升。在6 mol?L~(-1) KOH水溶液中,由多孔明胶经600°C碳化、700°C KOH活化所制备的活性炭,在1 A?g~(-1)的放电容量为357 F?g~(-1),即使在100 A?g~(-1)的大电流密度下,其比电容仍可维持在227 F?g~(-1)。活性炭样品也表现出优异的循环稳定性,在10 A?g~(-1)下经7500圈循环稳定性测试后,其初始容量保持率高达93.0%。而且,以该活性炭组装的对称型超级电容器,在250、2500及25000 W?kg~(-1)的功率密度下,其能量密度分别为10.3、9.7和8.2 Wh?kg~(-1);在10 A?g~(-1)下经10000次循环后,容量保持率高达97.6%。这些研究结果表明由蜂巢状多孔明胶所制备的活性炭在高性能超级电容器中具有巨大的应用潜力。     

氮硫双掺杂活性炭材料的制备和电容性能

以头发和蔗糖为原料, 通过水热碳化和KOH活化两步法制备了氮硫双掺杂微孔炭材料. 利用扫描电子显微镜, 透射电子显微镜, 氮气吸脱附, X射线光电子能谱, 电子能谱和傅里叶交换红外光谱等手段系统表征了所制备活性炭材料的微观形貌, 孔隙结构和表面化学性质. 并在6 mol·L^-1 KOH溶液中研究了所制备活性炭材料的电容性能. 氮气吸脱附测试表明, 所制备活性炭材料的比表面积最高可达1849.4 m²·g^-1, 孔道以微孔为主. 所制备活性炭材料氮元素含量为1.6%-2.5% (原子分数(x))), 硫元素含量为0.2%-0.5% (x). 由于N、O、S官能团的协同作用, 所制备碳材料表现出明显的赝电容. 活性炭材料的比电容值最高可达200 F·g^-1, 对应的能量密度为6.9 Wh·kg^-1. 功率密度达到10000 W·kg^-1时, 能量密度仍达到4.1 Wh·kg^-1. 本文的工作表明以生物质为原料可以方便制备氮硫双掺杂活性炭电极材料.     

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(英文)

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%.     

可快速充放电聚吡咯/碳纳米管复合材料电化学聚合与表征

采用恒电流法制备了具有可快速充放电性能的对甲基苯磺酸根(TOS-)掺杂聚吡咯/功能化单壁碳纳米管(PPy-TOS/F-SWNTs)复合材料,扫描电镜(SEM)结果表明该复合材料呈纳米棒状构成的多孔结构,棒径约为70nm;比表面积(BET)测试分析表明该复合材料有着较高的比表面积(12.64m2.g-1)和大的介孔孔隙率(20-40nm).循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)和恒电流充放电(GC)电化学分析表明该材料具有优异的快速充放电性能,在800mV的电位窗和2.5A.g-1(功率密度为2kW.kg-1)的电流密度下该材料具有211F.g-1的比容量(能量密度为18.7Wh.kg-1),而当充放电电流高达80A.g-1(功率密度为60kW.kg-1)时比容量仍可达141.8F.g-1(能量密度为12.6Wh.kg-1),同时该材料还表现出优异的稳定性,在10A.g-1大电流下经历10000圈循环后容量仍保持95.2%.     

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.     

BC/CoNi2S4@PPy柔性复合电极材料的制备及电化学性能

本文采用溶剂热、原位聚合和真空抽滤相结合的方法制备了用于超级电容器的细菌纤维素/镍钴硫化物/聚吡咯(BC/CoNi₂S₄@PPy)柔性电极材料,通过X射线衍射、场发射扫描电镜、红外光谱、氮气吸脱附、拉伸强度和接触角表征了材料的形貌结构、组成、机械性能和亲水性,并采用循环伏安法和恒电流充放电测试了复合材料的电化学性能。结果表明,表面含氧官能团丰富的BC纤维网络结构对氧化还原活性物质CoNi₂S₄的生长和导电聚合物PPy的分布具有引导作用,CoNi₂S₄均匀分布在BC网络中,且PPy均匀包覆在BC纤维和CoNi₂S₄纳米球表面构成具有丰富孔隙结构的三维导电网络,使得该复合材料具有较好的机械性(抗拉强度达28.0±0.1 MPa)、亲水性(对6 mol·L^-1 KOH的瞬间接触角为43.6°)及良好的导电性。该电极材料在1 A·g^-1下比电容高达2670 F·g^-1,充放电循环10000次后比电容的保持率为82.73%,且经1000次反复弯曲后电化学性能保持不变。此外,将其与活性炭组成的非对称超级电容器,在1 A·g^-1下比电容为1428 F·g^-1,最高能量密度和功率密度分别达49.8 Wh·kg^-1和741.8 W·kg^-1。     

基于三维多孔石墨烯/含钛共轭聚合物复合多孔薄膜的柔性全固态超级电容器

采用Fe~(3+)离子交联的方法制备氧化石墨烯水凝胶,经化学还原制备出一种新型的三维多孔石墨烯薄膜材料命名为rGO-Fe;通过电化学聚合法在rGO-Fe基底上进一步制备了一种三维多孔石墨烯/含钛共轭聚合物复合薄膜材料,命名为r GO-Fe/P(EDOT:P3C)-1-Ti。作为一种新型复合薄膜材料,rGO-Fe/P(EDOT:P3C)-1-Ti较rGO-Fe具有更好的抗拉伸性能,平均厚度为3μm的rGO-Fe/P(EDOT:P3C)-1-Ti薄膜,可承受载荷拉力0.97 N,优于相同厚度的rGO-Fe薄膜(0.76 N)。将rGO-Fe/P(EDOT:P3C)-1-Ti薄膜作为自支撑电极制备了柔性全固态超级电容器,表现出优良的电容性能,且在弯折状态下仍能正常工作。当电流密度为0.1 A?g~(-1)时,该柔性全固态超级电容器的质量比容量为71.13?F?g~(-1),面积比容量为101 mF?cm~(-2),当电流密度为0.6 A?g~(-1)时,其质量比容量为18.14 F?g~(-1),面积比容量为25.8 mF?cm~(-2)。     

以多层次聚苯胺颗粒为电极活性物质的超级电容器的电化学性能

以(NH₄)₂S₂O₈为氧化剂用化学氧化法合成了具有多层次结构的聚苯胺颗粒，其二次颗粒由一次颗粒集结而成，一次颗粒的粒径基本上在1 μm以下，一次颗粒由多层微小薄片叠合而成. 用这种聚苯胺为活性物质制成电极，以2 mol•L^-1的H₂SO₄水溶液作电解液，组装成了聚苯胺电极超级电容器. 用循环伏安法、电化学阻抗谱和恒电流充放电技术测试了该超级电容器的电化学性能.在7 mA的充放电电流下，它的比能量可达6.35 Wh•kg^-1，比功率可达132 W•kg^-1，电极材料的比容量可达408 F•g^-1. 在20 mA的充放电电流下，它的比能量可达4.39 Wh•kg^-1，比功率可达328 W•kg^-1，电极材料的比容量可达324 F•g^-1. 在100次的充放电循环中，聚苯胺电极超级电容器的电容量没有下降，电荷充放电效率一直保持在95%左右.