氮掺杂碳片的模板诱导制备及其在超级电容器中的应用

兼具有优良的导电能力,高的比表面积和极佳的化学/机械稳定性,具有二维形貌的纳米碳材料近年来逐渐成为超级电容器电极材料的研究热点. 我们在此首次报道一种模板诱导方法以制备具有规整片状形貌的氮掺杂碳材料. 我们将作为硬模板的片状镁铝双金属氢氧化物与熔融的邻苯二胺混合后加入三氯化铁催化剂,进而通过加热使邻苯二胺聚合并碳化,随后刻蚀除去其中的氧化物成分即可以得到具有规整六边形片状氮掺杂碳材料. 通过改变碳化时的温度,可以有效的调节利用该方法所得到的氮掺杂碳片的形貌、结构、石墨化程度、氮含量以及比表面积. 更重要的是这些氮掺杂碳片在用作超级电容器电极材料时体现出优异的电化学性能,在0.5 A·g^-1的电流密度下其比容量可以达到290.0 F·g^-1的. 在1 A·g^-1的电流密度下经过10000周循环测试后,其容量仍然可以达到初始值83%.     

氮掺杂石墨烯量子点/MOF衍生多孔碳纳米片构筑高性能超级电容器

首先采用溶液法在碳布上生长Co-MOF二维纳米片,通过高温退火和刻蚀后得到MOF衍生多孔碳纳米片。以Co-MOF衍生的多孔碳纳米片/碳布(CNS/CC)作为碳基骨架,采用电化学沉积法负载高活性氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs),制备得到分级多孔结构的N-GQD/CNS/CC复合材料。组装成自支撑且无粘结剂的N-GQD/CNS/CC电极,当电流密度为1 A·g~(-1)时,其比电容高达423 F·g~(-1)。通过储能机制和电容贡献机制的研究表明,在碳纤维上原位生长的具有高双电层电容的CNS和表面负载具有高赝电容的N-GQDs之间相互协同作用,使得N-GQD/CNS/CC电极具有高电容性能,是一种理想的超级电容器电极材料。电极材料的高导电、分级多孔结构有利于电子的传输和电解质离子的扩散,具有良好的动力学性能,能快速充放电和具有优异的倍率特性。将电极组装成对称型超级电容器,功率密度为250 W·kg~(-1)时对应的能量密度达到7.9 Wh·kg~(-1),且经过10 000次循环后电容保持率为91.2%,说明氮掺杂石墨烯量子点/MOF衍生多孔碳纳米片复合材料是一种电化学性能稳定的具有高电容性能的全碳电极材料。     

自掺杂氮多孔交联碳纳米片在超级电容器中的应用

自掺杂氮的多孔交联碳纳米片（N-ICNs）是将蒲公英种子通过一步活化碳化法制备的.蒲公英种子本身富含氮,不需要进行额外的掺杂处理,可以作为理想的碳前驱体.通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）对所制备的碳材料的微观形貌和组成成分进行了表征.基于高含氮量（2.88%）,N-ICNs在1 A·g^-1下具有337 F·g^-1的比电容和优异的倍率性能.此外,由N-ICNs组合成的对称型超级电容器在操作电压范围为0~2 V时具有很高的能量密度（25.3 Wh·kg^-1）和功率密度（900 W·kg^-1）,并且在循环10000次后仍具有98%的电容保持率.因此,N-ICNs将是一种非常理想的电极材料.     

用于高性能超级电容器的氮掺杂碳纳米网的制备

以菲为碳源、氨气为氮源,通过一步碳化、活化法成功制得了氮掺杂碳纳米网(NCNs).在800℃下制得的样品(NCN800)具有独特的网状结构、大的比表面积(1567 m2·g-1)和高的原子百分含量(N 4.41％、O 13.71％).归因于这些结构特征,工作电极NCN800在三电极系统中显示出高的比电容(0.05 A·...     

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。     

静电纺丝法制备煤基纳米碳纤维及其在超级电容器中的应用

以氧化处理的新疆库车原煤、聚丙烯腈(PAN)和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为原料,通过静电纺丝法制备了直径均匀的煤基纳米碳纤维前驱体,经高温碳化、CO2活化得到煤基超级电容器电极材料.使用X射线能谱仪、物理吸附仪、扫描电子显微镜、红外光谱仪和热分析仪等对前驱体及产物进行了表征.结果表明,原煤经过高锰酸钾氧化处理后,部分连接大分子的烷基链被打断,含氧基团明显增多,使原煤在DMF中的溶解度大幅提高.电化学测试结果表明,在电流密度为1 A/g时,煤基活化碳纤维的比电容为259.7F/g,在1000次循环充放电后比电容仍然保持99.2%.     

低成本硫掺杂多孔碳材料的制备及其超级电容性能

以廉价的胶态二氧化硅为模板,蔗糖为碳源,硫酸为预碳化试剂和硫源,通过硬模板法制备了相对廉价的硫掺杂多孔碳(SSC-T,T℃代表碳化温度)材料。采用多种表征方法对多孔碳材料的微观形貌、孔道结构、比表面积和表面硫物种进行了表征,探究了硫酸和碳化温度对多孔碳材料的微观形貌、孔道结构和比表面积的影响。结果表明,碳化温度对碳的孔结构、比表面积和硫元素的含量有显著的影响,其中900℃碳化得到的样品SSC-900具有最大的比表面积、孔体积和比电容,远高于未加入硫酸制备的碳材料SC-900,表明硫酸的加入可以提高碳材料的比表面积、孔体积,进而提高碳材料的比电容。与昂贵的有序介孔碳CMK-3相比,SSC-900具有成本更低、孔径更大和电容性能更好的优点。在以6.0 mol·L^-1 KOH为电解质的三电极体系中,在0.5 A·g^-1的电流密度下,SSC-900的比电容可以达到357 F·g^-1,而SC-900和CMK-3的比电容分别仅为152和266 F·g^-1。电容贡献分析表明,SSC-900的双层电容值和赝电容值均高于SC-900。此外,SSC-900在0.5 A·g^-1的电流密度下循环10 000次后仍能保持98.4%的初始比电容。     

低成本硫掺杂多孔碳材料的制备及其超级电容性能

以廉价的胶态二氧化硅为模板，蔗糖为碳源，硫酸为预碳化试剂和硫源，通过硬模板法制备了相对廉价的硫掺杂多孔碳(SSC-T，T℃代表碳化温度)材料。采用多种表征方法对多孔碳材料的微观形貌、孔道结构、比表面积和表面硫物种进行了表征，探究了硫酸和碳化温度对多孔碳材料的微观形貌、孔道结构和比表面积的影响。结果表明，碳化温度对碳的孔结构、比表面积和硫元素的含量有显著的影响，其中900℃碳化得到的样品SSC-900具有最大的比表面积、孔体积和比电容，远高于未加入硫酸制备的碳材料SC-900，表明硫酸的加入可以提高碳材料的比表面积、孔体积，进而提高碳材料的比电容。与昂贵的有序介孔碳CMK-3相比，SSC-900具有成本更低、孔径更大和电容性能更好的优点。在以6.0 mol·L^-1 KOH为电解质的三电极体系中，在0.5 A·g^-1的电流密度下，SSC-900的比电容可以达到357 F·g^-1，而SC-900和CMK-3的比电容分别仅为152和266 F·g^-1。电容贡献分析表明，SSC-900的双层电容值和赝电容值均高于SC-900。此外，SSC-900在0.5 A·g^-1的电流密度下循环10 000次后仍能保持98.4%的初始比电容。     

MnO2/煤基碳纳米纤维的制备及其在柔性超级电容器中的应用

采用静电纺丝技术制备了柔性煤基碳纳米纤维(CBCNFs)。利用低温等离子体技术对CBCNFs进行改性,并将改性后的CBCNFs作为还原剂与KMn O4反应,以实现Mn O2的原位还原负载制备CBCNFs/Mn O2复合材料。通过X射线衍射、扫描电镜和透射电镜等手段对复合材料的结构与形貌进行了表征;另外,研究了其作为柔性超级电容器电极材料的性能。结果表明,KMn O4∶CBCNFs=2∶1(质量比)条件下制备的复合材料(CBCNFs/Mn O2-2)具有良好的电化学性能。在0.1A·g-1电流密度下,CBCNFs/Mn O2-2的比电容高达118F·g-1,为CBCNFs比电容(26F·g-1)的4.5倍,在1A·g-1电流密度下,循环1000次后比容量保持率为97%,表现出良好的循环稳定性。     

NiS2纳米片的制备及其在非对称超级电容器中的应用

本文采用牺牲模板法,以Ni(OH)₂作为前驱体制备NiS₂. 通过对NiS₂进行XRD、EDS、BET、SEM及TEM等表征来研究NiS₂的元素组成及结构形貌. SEM及TEM结果显示前驱体及NiS₂均为纳米片结构. 电化学测试结果表明NiS₂存在着优秀的电容性能,在电流密度为1 A·g^-1时,NiS₂比电容能够达到1067.3 F·g^-1,同时具有高的倍率特性. 为了进一步探究NiS₂作为电活性材料的实用性,以NiS₂作为阳极材料,活性炭（AC）作为阴极组装成非对称超级电容器,在功率密度为0.8 kW·kg^-1,能量密度高达38.4 Wh·kg^-1,并且在3000次恒流充放电后,比电容依然保持93.7%.     

超级电容器用炭/导电聚合物复合材料*

炭/导电聚合物复合材料是近年来发展起来应用于超级电容器的一种新型电极材料。炭材料与氧化物的复合材料,或者炭材料与导电聚合物的复合材料,能够将双电层电容与法拉第电容结合,既可提高超级电容器的比电容,改变其充放电电压,又可提高其循环性能。本文综述了近年来国内外各种炭材料,如活性炭,碳纳米管等与导电聚合物复合材料的研究进展,认为炭与导电聚合物的复合材料,尤其是性能优良的炭气凝胶,模板法制备的中孔炭,以及由金属或非金属碳化物与氯气等刻蚀剂反应制备的骨架炭与导电聚合物的复合材料是超级电容器电极材料研究的一个重要发展方向。     

基于碳纳米管的超级电容器研究进展

综述了基于碳纳米管及其复合材料作超级电容器的电极材料的研究现状,通过对碳纳米管的改性或与其它材料复合,能有效地提高电容器的电容特性。总结了近几年来在开发超级电容器电极材料领域中对碳纳米管的活化和提高碳纳米管的分散性技术、碳纳米管与过渡金属氧化物复合材料、碳纳米管与导电聚合物复合材料以及碳纳米管与石墨烯复合材料研究的进展。     

低银量掺杂TiO2纳米片薄膜的制备及其抗菌性能研究

采用溶胶凝胶和溶剂热两步法,在玻璃基底上垂直生长Ag-TiO₂纳米片薄膜.采用SEM、TEM、XRD、XPS等对样品进行表征,研究了不同前躯体浓度对Ag-TiO₂纳米片生长的影响,并检测了Ag-TiO₂纳米片薄膜的抗菌性能.结果表明,所获得的低银量掺杂改性的二氧化钛纳米片薄膜在紫外灯照射和黑暗条件下,对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有优异的抗菌性能.     

Highly Dispersible Hexagonal Carbon–MoS2–Carbon Nanoplates with Hollow Sandwich Structures for Supercapacitors

MoS₂, a typical layered transition-metal dichalcogenide, is promising as an electrode material in supercapacitors. However, its low electrical conductivity could lead to limited capacitance if applied in electrochemical devices. Herein, a new nanostructure composed of hollow carbon–MoS₂–carbon was successfully synthesized through an l -cysteine-assisted hydrothermal method by using gibbsite as a template and polydopamine as a carbon precursor. After calcination and etching of the gibbsite template, uniform hollow platelets, which were made of a sandwich-like assembly of partial graphitic carbon and two-dimensional layered MoS₂ flakes, were obtained. The platelets showed excellent dispersibility and stability in water, and good electrical conductivity due to carbon provided by the calcination of polydopamine coatings. The hollow nanoplate morphology of the material provided a high specific surface area of 543 m² g⁻¹, a total pore volume of 0.677 cm³ g⁻¹, and fairly small mesopores (≈5.3 nm). The material was applied in a symmetric supercapacitor and exhibited a specific capacitance of 248 F g⁻¹ (0.12 F cm⁻²) at a constant current density of 0.1 A g⁻¹; thus suggesting that hollow carbon–MoS₂–carbon nanoplates are promising candidate materials for supercapacitors.     

Hierarchical Carbon Nanowire/Ni@MnO2 Nanocomposites for High-Performance Asymmetric Supercapacitors

A 3D hierarchical carbon cloth/nitrogen-doped carbon nanowires/Ni@MnO₂ (CC/N-CNWs/Ni@MnO₂) nanocomposite electrode was rationally designed and prepared by electrodeposition. The N-CNWs derived from polypyrrole (PPy) nanowires on the carbon cloth have an open framework structure, which greatly increases the contact area between the electrode and electrolyte and provides short diffusion paths. The incorporation of the Ni layer between the N-CNWs and MnO₂ is beneficial for significantly enhancing the electrical conductivity and boosting fast charge transfer as well as improving the charge-collection capacity. Thus, the as-prepared 3D hierarchical CC/N-CNWs/Ni@MnO₂ electrode exhibits a higher specific capacitance of 571.4 F g⁻¹ compared with those of CC/N-CNWs@MnO₂ (311 F g⁻¹), CC/Ni@MnO₂ (196.6 F g⁻¹), and CC@MnO₂ (186.1 F g⁻¹) at 1 A g⁻¹ and remarkable rate capability (367.5 F g⁻¹ at 10 A g⁻¹). Moreover, asymmetric supercapacitors constructed with CC/N-CNWs/Ni@MnO₂ as cathode material and activated carbon as anode material deliver an impressive energy density of 36.4 W h kg⁻¹ at a power density of 900 W kg⁻¹ and a good cycling life (72.8 % capacitance retention after 3500 cycles). This study paves a low-cost and simple way to design a hierarchical nanocomposite electrode with large surface area and superior electrical conductivity, which has wide application prospects in high-performance supercapacitors.     

Synthesis of Hierarchically Porous Sandwich‐Like Carbon Materials for High‐Performance Supercapacitors

For the first time, hierarchically porous carbon materials with a sandwich‐like structure are synthesized through a facile and efficient tri‐template approach. The hierarchically porous microstructures consist of abundant macropores and numerous micropores embedded into the crosslinked mesoporous walls. As a result, the obtained carbon material with a unique sandwich‐like structure has a relatively high specific surface (1235 m² g^?1), large pore volume (1.30 cm³ g^?1), and appropriate pore size distribution. These merits lead to a comparably high specific capacitance of 274.8 F g^?1 at 0.2 A g^?1 and satisfying rate performance (87.7 % retention from 1 to 20 A g^?1). More importantly, the symmetric supercapacitor with two identical as‐prepared carbon samples shows a superior energy density of 18.47 Wh kg^?1 at a power density of 179.9 W kg^?1. The asymmetric supercapacitor based on as‐obtained carbon sample and its composite with manganese dioxide (MnO₂) can reach up to an energy density of 25.93 Wh kg^?1 at a power density of 199.9 W kg^?1. Therefore, these unique carbon material open a promising prospect for future development and utilization in the field of energy storage.     

多孔纳米片状石墨相氮化碳的制备及其可见光催化

以三聚氰胺和硫脲为前驱体,通过简易的氧气刻蚀制备了多孔纳米片状氮化碳。相比于三聚氰胺制备的薄片状氮化碳(MCNS),以硫脲制备的多孔纳米片状的g-C_3N_4(TCNS)片层更薄,其单片厚度约为30 nm,且TCNS的层状结构明显,能带隙约为3.03 eV,高于石墨相氮化碳(2.77 eV),更宽的禁带赋予载流子更强的氧化还原能力。较大的比表面积(114 m~2·g~(-1))可以提供更多的活性位点,同时纳米片状结构可以促进电子与空穴的有效分离和转移,且能有效地降低光生载流子的复合率,因而TCNS具有更高的光催化活性。     

多孔纳米片状石墨相氮化碳的制备及其可见光催化

以三聚氰胺和硫脲为前驱体,通过简易的氧气刻蚀制备了多孔纳米片状氮化碳。相比于三聚氰胺制备的薄片状氮化碳（MCNS）,以硫脲制备的多孔纳米片状的g-C₃N₄（TCNS）片层更薄,其单片厚度约为30 nm,且TCNS的层状结构明显,能带隙约为3.03 eV,高于石墨相氮化碳（2.77 eV）,更宽的禁带赋予载流子更强的氧化还原能力。较大的比表面积（114 m²·g^-1）可以提供更多的活性位点,同时纳米片状结构可以促进电子与空穴的有效分离和转移,且能有效地降低光生载流子的复合率,因而TCNS具有更高的光催化活性。     

Microporous Carbon Nanofibers Derived from Poly(acrylonitrile-co-acrylic acid) for High-Performance Supercapacitors

Carbon nanofiber (CNF)-based supercapacitors have promising applications in the field of energy storage. It is desirable, but remains challenging, to develop CNF electrode materials with large specific surface area (SSA), high specific capacitance (SC), and high power density, as well as excellent cycling stability and high reliability. Herein, acrylonitrile–acrylic acid copolymer P(AN-co-AA) was synthesized for the preparation of nitrogen-doped microporous CNFs. Thermal degradation of the AA segment leads to the formation of micropores that are distributed not only on the CNF surface, but also inside the material. The microporous structure and nitrogen content can be manipulated at the molecular level by adjusting the weight ratio between AN and AA, and the SSA and SC could reach as high as 1099 m² g⁻¹ and 156 F g⁻¹, respectively. After KOH activation, the activated CNFs have an extremely high SSA of 2117 m² g⁻¹ and SC of 320 F g⁻¹, which are among the highest values ever reported for electric double-layer supercapacitors with an alkaline electrolyte. Furthermore, the capacitance retention, which can be maintained at 99 % even after 16 000 cyclic tests, reveals outstanding durability and repeatability.