氯化钠模板诱导木质素基多孔炭的制备及其超级电容器性能

以木质素为碳源,氯化钠为模板,通过低温回流使木质素包覆在氯化钠外层,高温煅烧获得木质素基多孔炭,研究了其作为电极材料在超级电容器中的应用。 结果表明,改变煅烧温度可调控所得样品的孔结构,其比表面积在548~600 m²/g之间可变,且随着煅烧温度升高,比表面积和孔体积先增大后减少。 700 ℃煅烧所得样品具有最大的比表面积,并表现出最高的电容性能,其在6 mol/L KOH电解液中比电容可达252 F/g,有效面积电容高达31.2 μF/cm²,模板氯化钠可清洗分离并可循环利用。 提出了一种废弃物高附加值制备超级电容器用多孔炭的绿色方法。     

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。     

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。     

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%。     

高性能超级电容器用废液基多孔炭球的制备和性能研究

具有几何构型的球状结构可以减小电解质离子的传输距离,开发高比表面积、球形结构和制备工艺简单的多孔炭球,对于储能器件十分重要。以生产维生素C过程中产生的废液为原料,利用高温水热炭化和高铁酸钾(K_2FeO_4)为活化剂制备多孔炭球,并且详细研究了K_2FeO_4的量对所制备的多孔炭球的电化学性能影响。结果表明,所制备的样品呈现出球形结构且具有分级孔隙度(丰富的微孔和一定的中孔)的孔结构。在以6 mol/L KOH为电解液的三电极体系中,K_2FeO_4与焦质量比为2所得的多孔炭球(PCS-2)具有高的比表面积以及良好的电化学性能,在电流密度为0.5 A/g时,比电容高达323 F/g。以1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体为电解液的对称型超级电容器中,K_2FeO_4与焦质量比为3所得的多孔炭球(PCS-3)能量密度高达47.2 W·h/kg,而且经过10000次循环后比电容保持率为89%。     

双离子液体基多孔炭的制备与电化学性能

以质子型离子液体1-氢-3-乙烯基咪唑硫酸氢盐(HVImHSO₄)为主炭源, 以1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(BMImPF₆)为助剂, 在氮气气氛、 1000 ℃下一步炭化得到氮、 磷、 硫共掺杂多孔炭. 通过N₂吸附-脱附、 扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜(TEM)、 X射线衍射(XRD)、 拉曼光谱(Raman)、 热重分析(TGA)和X射线光电子能谱(XPS)等技术对多孔炭进行了分析表征. 结果表明, 多孔炭的孔结构以微孔为主, 最高比表面积可达1111 m²/g, 其微晶结构中无定形碳和石墨化碳并存; 多孔炭中的氮主要以季氮(N-Q)、 吡咯氮(N-5)和吡啶氮(N-6)的形式存在, 磷以磷-氧(N—O—P)键合形式为主, 硫主要以噻吩硫(C—S—C)为主. 在6 mol/L KOH溶液、 三电极体系中, 多孔炭在0.5 A/g电流密度下的比电容为138 F/g; 在10 A/g电流密度下的比电容为100 F/g; 在2 A/g电流密度下循环充放电10000次, 其比电容保持率为95.8%, 显示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.     

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。     

热解条件对氮杂有序介孔炭材料电催化性能的影响（英文）

氧还原反应是燃料电池及金属空气电池中极其重要的电化学反应之一,贵金属铂基催化剂被认为是最有效的氧还原反应电催化剂.然而,贵金属铂的资源稀缺以及高成本问题阻碍了相关技术的大规模应用,探索发展廉价高效的贵金属替代型催化剂是推动燃料电池发展的根本解决方案.近年来,人们在非贵金属催化剂开发方面取得了显著进展,其中新型纳米结构掺杂炭材料研究尤为活跃.氮杂有序介孔炭材料由于其高比表面积和独特的孔结构,在燃料电池技术上具有广泛的应用前景.在氮杂有序介孔炭材料的制备过程中,热解条件对炭材料组成、结构及电催化性能有着重要影响.然而,目前尚未见对氮杂炭材料制备过程中热解条件的影响进行系统研究.本文采用我们发展的蒸汽化-毛细管冷凝法,以SBA-15为硬模板浸渍前驱体吡咯,制备出具有高比表面积和独特孔结构的氮杂有序介孔炭材料,系统研究了热解条件(包括热解温度、热解时间和升温速率)对炭材料组成、结构及电催化性能的影响,采用N2吸附-脱附等温线、X射线光电子能谱(XPS)及Raman光谱等方法考察了氮杂有序介孔炭材料的结构和组成,采用循环伏安法与旋转环盘电极研究了其电化学行为与氧还原反应电催化活性及选择性.N2吸附-脱附等温线显示,氮杂炭材料对应IV型吸附-脱附等温线,孔径主要分布在2–10nm,表明所制材料具有介孔结构.随着热处理温度升高,氮杂有序介孔炭材料比表面积先增加而后降低,热处理时间的延长有利于比表面积增大,但升温速率对所制炭材料比表面积没有明显影响,当升温速率为30℃/min,900℃焙烧3h时,氮杂有序介孔炭材料的比表面积达到最大值888m2/g.XPS测试结果表明,随着热处理温度升高,氮杂有序介孔炭材料中含氮基团的分解进一步加深,使N含量逐渐降低.延长热处理时间亦然,而升温速率的改变对N含量无明显影响.在热处理温度较低时(600℃),所得材料中N主要以吡咯氮和吡啶氮的形式存在;当温度达到800℃以上,吡咯氮转化为吡啶氮和骨架氮,且主要以骨架氮形式存在,说明氮杂有序介孔炭材料的石墨化程度逐渐升高.Raman光谱结果显示,随着热处理温度升高,I D/I G逐渐降低,进一步印证了温度对石墨化程度的影响.电化学测试结果表明,随着热处理温度升高,氮杂有序介孔炭材料的氧还原反应电催化活性逐渐升高,但是当热处理温度从900℃升至1000℃时,氧还原反应活性增加很小;升温速率与热处理时间对氧还原反应电催化活性的影响均不明显.与商品Pt/C催化剂相比,900℃以上所制催化剂均表现出更优异的氧还原电催化活性与选择性.由此可见,热处理温度是决定碳源热化学行为的关键因素,进而决定炭材料表面组成与结构.电化学研究结果表明,800℃以上进行热处理碳化,所生成石墨化微晶可有效促进电子传递,降低欧姆极化损失,同时,较高的处理温度可促进骨架氮掺杂,从而构建出高效氧还原反应活性位点.因此,氮杂型炭催化剂的组成、结构与电化学性能更多地受控于热处理过程中的热力学,而非热解动力学过程.     

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。     

Effect of carboxylic acid groups on the supercapacitive performance of functional carbon frameworks derived from bacterial cellulose

Three-dimensional(3D) carbonaceous materials derived from bacterial cellulose(BC) has been introduced as electrode for supercapacitors in recent. Here, we report a simple strategy for the synthesis of functional carbon frameworks through 2,2,6,6-tetramethylpilperidine 1-oxyl radical(TEMPO)-mediated oxidation of bacterial cellulose(BC) followed by carbonization. TEMPO-mediated oxidation can efficiently convert the hydroxyls on the surface of BC to carboxylate groups to improve electrochemical activity. Because of its high porosity, good hydrophilicity, rich oxygen groups, and continuous ion transport in-between sheet-like porous network, the TEMPO-oxidized BC delivers a much higher gravimetric capacitance(137.3 F/g) at low annealing temperature of 500℃ than that of pyrolysis BC(31 F/g) at the same annealing temperature. The pyrolysis modified BC obtained at 900℃ shows specific capacitance(160.2 F/g), large current stability and long-term stability(84.2% of its initial capacitance retention after 10,000 cycles).     

A biomass carbon material with microtubule bundling and natural O-doping derived from goldenberry calyx and its electrochemical performance in supercapacitor

A promising biomass carbon material,manufactured by the carbonation of Physalis peruviana L.calyx at 700℃,is presented in this wo rk.Morphology characterization shows that the carbon material possesses long microtubule bundling and above 30%natural O-atom component on the surface.After KOH chemical etching,the materials maintain the oxygen content but exhibit more micropores and higher specific surface area up to 1732.6 m^2/g.Using as an electrode material for supercapacitor,the active carbon material exhibits high specific capacitance up to 339.7 F/g at 0.5 A/g in 3 mol/L KOH aqueous solution through three-electrode system.The active carbon material also exhibits excellent cycling stability(97%retention)by 10,000 cycles at 10 A/g.The outstanding electrochemical performances are attributing to the unique long microtubule bundling with much more pores and the abundant Oelement on the surface.This biomass carbon material with excellent electrochemical properties could be a useful material for multiple applications.     

Characterization of Microporous Activated Carbon Electrodes for Electric Double-layer Capacitors

IntroductionElectric double layer capacitors( EDLCs) witha high power density can be used as memory back-up devices or electric vehicles.EDLCs store energyin the electric double layer by charge accumulationon the interface between the electrode and the elec-trolyte. In order to obtain reasonable energies andpower densities,the more suitable material forEDLCs musthave a high surface area with a signif-icant value of specific double layer capacitance,better pore size distribution and electro…     

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。     

ZIF-derived mesoporous carbon materials prepared by activation via Na2SiO3 for supercapacitor

Metal organic frameworks (MOFs) derived carbonaceous materials have a wide range of applications in the fields of energy storage, catalysis, adsorption and separation, etc. Especially, zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) is an excellent candidate to synthesize porous carbon due to the large surface area and high nitrogen content. However, the dominated microporous structure of ZIF-8-derived carbon significantly hinders ionic mass transfer, limiting the improvement of performance. Herein, MOF-derived mesoporous carbon was prepared using ZIF-8 as carbon precursor and cheap sodium silicate (Na₂SiO₃) as activator. The introduction of Na₂SiO₃ created rich mesoporous structure and increased specific surface area, as well as the effects of pyrolysis temperature and Na₂SiO₃ dosage on performance was also investigated. The obtained ZIF-derived porous carbon exhibits good electrochemical performance with specific capacitance of 263 F/g at 1 A/g and excellent cycle life (96.07% after 10,000 GCD cycles) in supercapacitor. The use of cheap Na₂SiO₃ activator provides a new orientation for the preparation of MOF-derived carbons with rich pores, high surface area, and facilitates the large-scale application of MOF-derived carbons.     

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。     

Biomass derived nitrogen doped carbon with porous architecture as efficient electrode materials for supercapacitors

Developing porous carbon materials with low-cost, sustainable and eco-friendly natural resources is emerging as an ever important research field in the application of high-performance supercapacitor. In this paper, a simple synthetic method to fabricate nitrogen doped porous carbon(NPC) is developed via a one-pot carbonization of sodium alginate and urea. The as-prepared NPC annealed at 700℃ with mesoand macro-porous structure exhibits excellent specific capacitance(180.2 F/g at 1 A/g) and superior cycling life when serves as electrode materials for supercapacitor. Moreover, the investigation on the annealing temperature demonstrates that NPC pyrolysis at 700℃ possesses relatively high pyrrole nitrogen and pyridine nitrogen, which is favorable for enhancing supercapacitor performance. This work extends biomass derived carbon materials in energy storage applications.     

From interpenetrating polymer networks to hierarchical porous carbons for advanced supercapacitor electrodes

A novel and effective strategy to fabricate hierarchical porous carbons for supercapacitors is developed via in-situ activation of interpenetrating polymer networks obtained from simultaneous polymerization of the monomers for two polymeric networks.