碳材料在电化学储能中的应用

电化学储能材料是电化学储能器件发展及性能提高的关键之一. 碳材料在各种电化学储能体系中都起到了极为重要的作用,特别是近期出现的各类新型碳材料为电化学储能的发展带来了新动力,并展现了广阔的应用前景. 本文综述了碳材料,特别是以碳纳米管和石墨烯为代表的纳米碳材料,在典型电化学储能器件（锂离子/钠离子电池、超级电容器和锂硫电池等）、柔性电化学储能和电化学催化等领域的研究进展,并对碳材料在这些领域的应用前景进行了展望.     

沉积法合成生物质碳磷锂离子负极材料及其高低温电化学性能

使用玉米杆芯作为碳源, 通过沉积法原位合成生物质碳磷复合材料. 利用X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)和拉曼光谱(Raman)等对复合材料的形貌和结构进行表征, 通过恒电流充放电、 循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)等对复合材料的电化学性能进行了测试. 结果表明, 当碳/磷质量比为4.5∶5.5时, 复合材料具有最佳的电化学性能: 扣除非活性材料的贡献, 室温下首次充电容量为1215.5 mA·h/g, 循环100次后可以保持847.7 mA·h/g 的比容量. 该复合材料随着温度的升高充电比容量逐渐增加: -20 ℃时, 0.1C倍率下的充电比容量为425.6 mA·h/g; 55 ℃时, 首次充电比容量高达1812.3 mA·h/g. 说明适量纳米磷均匀分布在无定形碳导电基体的孔结构中, 可以使制备出的复合材料现出良好的电化学性能.     

电化学还原二氧化碳合成碳材料电催化还原氧气合成过氧化氢北大核心CSCD

研究了3种不同阳极(铜丝,镀锌铁丝和镍丝)材料对在熔盐中电化学还原CO_(2)制备的碳材料结构和形貌的影响,并探究了制备的3种碳材料,中空四面体碳(HQC,Cu作为阳极时的还原产物)、碳纳米片(CNS,Fe作为阳极时的还原产物)和海绵状多孔碳(SPC,Ni作为阳极时的还原产物),对2电子氧还原反应(2e;ORR)的电催化性能。研究表明,使用镀锌铁丝作为阳极材料制备的CNS由大量的碳纳米片构成,且该纳米片上具有丰富的孔洞结构以及较大的I_(D)/I_(C)(Raman光谱中D峰与G峰的强度之比,其比值反映材料的缺陷程度)值(0.996)。与HQC和SPC相比,CNS表现出最高的2e;ORR电催化活性和H_(2)O_(2)选择性(接近90%)。CNS的高活性和高选择性归因于其高的I_(D)/I_(C)值和高C—O/C=O比值,说明结构缺陷和C—O/C=O官能团对CNS催化性能至关重要。此外,CNS还具有非常优异的电催化稳定性,在长达14 h的恒电压电化学催化测试后,环电流几乎无衰减。这种以CO_(2)为碳源合成可用于电催化合成过氧化氢(H_(2)O_(2))的碳材料的方法,不仅可以作为缓解温室效应的潜在选项,也为CO_(2)衍生碳的实际应用提供了新的思路。     

基于生物质的高度有序的管状碳材料及其在锂硫电池中的应用

将棕榈纤维经过炭化和氢氧化钾活化制备高度有序的管状碳材料(OCT),并且将其应用于锂硫电池。所制备的OCT具备高的比表面积和大的孔体积,可以有效地储存硫,合成方法简单且成本较低。同时,所制备的S@OCT复合物呈现出优异的电化学性能。载硫量为65%(w/w)的S@OCT复合材料在0.2C(1C=1 672 mA·g-1)的倍率下库伦效率接近于100%,其首圈容量高达1 255.2 mAh·g-1(1.8 mAh·cm-2),并且100圈后容量保持在756.9 mAh·g-1(1.09 mAh·cm-2)。使用5C的大电流测试时,其首圈容量达到了649.1 mAh·g-1(0.93 mAh·cm-2),且在100圈后容量保持在504.2 mAh·g-1(0.72 mAh·cm-2)。     

生物质基氮掺杂碳材料的研究进展

氮掺杂碳材料是近年来新兴的一种多孔材料,具有高比表面积、高导电性、高活性和良好的稳定性,但制备过程繁琐,成本较高.本文简要介绍了采用廉价生物质制备氮掺杂碳材料的方法,生物质来源广泛、安全无毒且成本低廉,虾壳、藻类、果壳和毛发等生物废弃物中所含木质素、蛋白质和氨基酸等提供了丰富的N、P、C等元素,既可作为氮源也可以作为碳源.生物质经过活化可制成生物质基氮掺杂碳材料,由于N元素改变了碳材料的电荷密度和表面理化性质,提供更多活性位点,使材料不但具有优异的电化学性能,又可作为载体均匀负载金属催化各类反应,能够得到比商业催化剂更好的催化性能.重点介绍生物质基氮掺杂碳材料在燃料电池和超级电容器领域的应用,讨论了生物质基氮掺杂碳材料的制备和应用存在的问题,展望其未来的发展趋势.     

中空碳球合成方法及其电化学应用进展

中空碳球由于具有大的比表面积、良好的导电性以及高的化学稳定性等优异性能,现已被广泛地用于电化学储能、电化学催化和电化学传感领域。基于此,本文主要概述了中空碳球的各种合成方法及在电化学领域的研究进展,并对该领域面临的挑战及未来的发展方向进行了讨论。     

生物质基碳材料作为氧还原反应催化剂的研究进展

燃料电池作为一种清洁能源有很大的发展前景,其阴极氧还原反应多采用铂基催化剂,但由于贵金属铂的储量稀少、价格昂贵等原因,严重阻碍了燃料电池的商业化进程。寻找高活性、高稳定性的新材料来替代阴极铂基催化剂成为燃料电池大规模商业化亟待解决的关键问题之一。研究表明,以生物质为原料的碳材料有望成为商业铂基氧还原催化剂的一种理想替代品。本文综述了这方面的研究进展,并且展望了未来的发展趋势。     

生物质碳材料的孔道分析

生物质碳材料的孔道类型和孔径大小制约着材料有效的活性位点数量,影响材料的性能。孔道分类又是孔径分析的前提条件。因此,建立孔道分类的方法非常有意义。随着生物质碳材料的深入研究,研究者对其孔道分析的要求逐渐提高。他们用实际的吸脱附等温线与IUPAC规范中的吸脱附等温线进行匹配,来分类生物质碳材料的孔道。然而实际的吸脱附等温线具有不规则性,难以匹配IUPAC规范中的吸脱附等温线。所以,本文提出了孔隙率和比表面积占有率的孔道分类新方法。自制生物质碳材料,运用物理吸附仪和TEM (Transmission electron microscope)对其进行表征,采用BET方程（Brunauer-Emmett-Teller）、t-plot方法(Thickness-plot)、DFT方法（Non-local Density Functional Theory）、BJH（Barrett Joyner and Halenda）方法对其孔道进行分析。研究表明,采用孔隙率和比表面积占有率对其进孔道分类,可以准确的定义出微孔生物质碳材料、介孔生物质碳材料和微介孔生物质碳材料。本文用标准样品对孔隙率和比表面积占有率的孔道分类新方法进行论证,结果一致。因此,本文提出的孔隙率和比表面积占有率的孔道分类新方法准确可靠,实用性高。     

基于不同前驱体制备的硬碳负极材料的储锂性能

以聚丙烯腈、石油沥青和花生壳为前驱体,在1200℃下碳化制备三种不同的硬碳材料.通过扫描电子显微、X射线衍射、氮气吸附/脱附测试和拉曼光谱等方法探究不同前驱体所制备的硬碳材料的表面形貌和物相结构.通过恒流充放电测试考察了这三种硬碳负极材料的电化学性能.结果表明,花生壳基硬碳的初始放电比容量最高,但首圈库仑效率最低,石油...     

木质素多孔碳材料在电化学储能中的应用

木质素可再生资源成本低、含碳量高、芳香度高和易集中收集,被认为是具备潜力大规模工业化制备新型多孔碳材料的重要碳质原料之一,对缓解化石资源消耗及可持续发展具有重大的意义。多孔碳材料具有较高的电导率、较高的比表面积、丰富的孔道结构及良好的稳定性等特点,作为储能材料有广阔的应用前景。本文介绍了模板法、活化法及水热法制备木质素多孔碳材料的国内外最新研究进展,详细总结了不同热解工艺参数对木质素多孔碳材料微观结构的影响规律,重点阐述了其作为锂离子电池、钠离子电池和超级电容器电极材料的研究进展。针对功能化木质素多孔碳材料制备工艺复杂及储能性能差等瓶颈问题,提出离子/电子扩散动力学的优化、多种储能机制的协同作用和绿色、简便制备工艺的开发等研究策略,指出研发先进炭化技术构筑合理分级孔径结构,精准调控适宜层间距且高度有序排列碳层、功能化改性表面微环境及直接构建炭化工艺参数与电化学性能之间的因效关系是制备高储能性能木质素多孔碳材料的未来研究方向。     

碳材料修饰铋系光催化剂及其应用

可见光半导体光催化剂具有高效利用太阳能从而解决能源及环境问题的优势,引起光催化及其他领域人们的关注.铋系光催化剂多属于窄带隙半导体材料,能够吸收太阳光谱中的大量可见光.此外,铋系光催化剂独特的层状晶体结构及较深的价带位置决定了其具有较高的催化活性,成为近年来半导体光催化领域研究的热点.碳基质材料由于具有比表面积大、热和化学稳定性高以及导电能力强等物理化学性质而被人们广泛研究.将碳材料与铋系半导体进行复合,两者之间的协同效应能够增强对反应物的吸附量,拓宽对太阳光的吸收范围,加速电子/空穴对的分离,从而提高催化活性.此外,碳材料修饰的铋光催化剂更易被分离及回收利用,可有效降低应用成本,具有潜在的应用前景.本文对近年来利用碳基质材料修饰铋系光催化剂的类型、制备方法、结构与性能、作用机理及其应用研究进行了综述,提出了目前利用碳材料修饰铋系光催化剂在材料设计、机理研究及应用等方面存在的主要问题,并对其未来发展方向进行了展望.     

电化学双电层电容器用新型炭材料及其应用前景

活性炭是目前使用最为广泛的一种电化学双电层电容器（EDLC）的电极材料,但其固有的缺点制约了EDLC性能的进一步提高。用新型高性能炭电极材料可使EDLC比能量和比功率性能进一步提高。这些新型炭材料包括基于石墨层状结构的纳米门炭,基于碳纳米管阵列结构的毛皮炭,通过高温置换反应制备的骨架炭以及电极可整体成型的纳米孔玻态炭。本文介绍了这些炭材料的电化学特性及其在电化学双电层电容器中的应用,指出用这4种新型炭材料制备EDLC的比能量或比功率性能远高于目前活性炭基EDLC,具有良好的应用前景。     

碳点及其在无机材料中多种功能的应用

碳点（CDs）与无机材料结合可能改善两者的性能甚至出现新性能。本文重点介绍CDs以下三种性能在无机材料中的应用：利用CDs的发光性能,可将CDs与无机材料结合用于照明、防伪等;利用CDs的紫外吸收性能,可将其与无机材料结合用作紫外屏蔽剂;利用CDs的化学性能可调控无机材料的结构或增强无机材料的性能。最后,展望了CDs在无机材料中的多功能应用,以期为无机材料的创新性发展做出贡献。     

硫在不同碳载体材料中的电化学性能研究

为了探索碳载体材料结构对于硫的电化学性能的影响,本文通过高温固相法将升华硫与石墨烯、导电炭黑、多孔碳等三种不同结构的碳载体材料复合,制备得到硫含量相近的三种硫碳复合材料. 通过电镜扫描、低温氮吸附、X射线衍射等方法,对所制备的硫碳复合材料的结构和硫的分布状态进行了表征和分析. 并进一步对三种复合材料进行了电化学性能测试,结果表明,硫负载到多孔碳中的电化学性能最好,其初始放电比容量达到了1623.2 mA·h·g^-1,循环100周之后,其放电比容量仍能保持在845 mA·h·g^-1. 这主要因为相比于石墨烯的层状结构和导电炭黑的链状结构,多孔碳材料中含有大量的微孔和介孔,负载硫后,与硫分子的接触面积大,活性物质的利用率高,从而提高了硫的电化学性能.     

胺功能化配体多孔配位聚合物材料的碳捕捉和封存研究进展

近十年,多孔配位聚合物(porous coordination polymers, PCPs)因其晶体结构中可调节的孔道尺寸、形状以及化学功能化,在小分子的选择性吸附及分离领域受到了极大的关注。基于环境问题的严峻性,胺功能化PCPs材料对煤电厂燃烧废气中CO2优异的选择性吸附性能,使其在该领域拥有较好的应用潜力。本文综述了含末端氨基配体的PCPs材料应用于二氧化碳捕捉及存储的代表性工作,并对所存在的问题及发展方向进行了分析总结。     

Biomass‐Derived Carbon Materials as Prospective Electrodes for High‐Energy Lithium‐ and Sodium‐Ion Capacitors

Biomass‐derived carbon materials have received special attention as efficient, low‐cost, active materials for charge‐storage devices, regardless of the power system, such as supercapacitors and rechargeable batteries. In this Minireview, we discuss the influence of biomass‐derived carbonaceous materials as positive or negative electrodes (or both) in high‐energy hybrid lithium‐ion configurations with an organic electrolyte. In such hybrid configurations, the electrochemical activity is completely different to conventional electrical double‐layer capacitors; that is, one of the electrodes undergoes a Faradaic reaction, whilst the counter electrode undergoes a non‐Faradaic reaction, to achieve high energy density. The use of a variety of biomass precursors with different properties, such as surface functionality, the presence of inherent heteroatoms, tailored meso‐/microporosity, high specific surface area, various degrees of crystallization, calcination temperature, and atmosphere, are described in detail. Sodium‐ion capacitors are also discussed, because they are an important alternative to lithium‐ion capacitors, owing to the low abundance and high cost of lithium. The electrochemical performance of carbonaceous electrodes in supercapacitors and rechargeable batteries are not discussed.     

软模板合成有序介孔碳材料

有序介孔碳材料由于其较大的表面积、均一的孔径、良好的热稳定性和化学稳定性,广泛应用于吸附、分离、催化以及能量储存等众多领域。与传统的以硅基介孔材料为硬模板的反向复制方法相比,通过嵌段共聚物和聚合物前驱体之间的有机-有机自组装的软模板法简便易行,已成为合成有序介孔碳材料有效方法。本论文综述了介孔碳材料的软模板合成机制、合成方法、功能化及其应用,对合成技术、结构控制、孔径调控以及形貌控制等方面进行了讨论,并探讨了其在吸附、催化、电极材料等领域的应用。     

Carbon Papers from Tall Goldenrod Cellulose Fibers and Carbon Nanotubes for Application as Electromagnetic Interference Shielding Materials

To transform tall goldenrods, which are invasive alien plant that destroy the ecosystem of South Korea, into useful materials, cellulose fibers isolated from tall goldenrods are applied as EMI shielding materials in this study. The obtained cellulose fibers were blended with CNTs, which were used as additives, to improve the electrical conductivity. TGCF/CNT papers prepared using a facile paper manufacturing process with various weight percent ratios and thickness were carbonized at high temperatures and investigated as EMI shielding materials. The increase in the carbonization temperature, thickness, and CNT content enhanced the electrical conductivity and EMI SE of TGCF/CNT carbon papers. TGCF/CNT-15 papers, with approximately 4.5 mm of thickness, carbonized at 1300 °C exhibited the highest electrical conductivity of 6.35 S cm⁻¹, indicating an EMI SE of approximately 62 dB at 1.6 GHz of the low frequency band. Additionally, the obtained TGCF/CNT carbon papers were flexible and could be bent and wound without breaking.     

磁性碳材料的制备及其在食品农药残留检测中的应用

食品中的农药残留问题备受关注,然而食品基质复杂、农药种类多且含量甚微,通过样品前处理技术对食品基质进行提取与净化非常必要。在样品前处理过程中,吸附剂材料发挥着重要作用。近年来,磁性碳材料（mCBMs）因净化效果好、分离速度快、易回收等优势,在食品中农药残留分析领域受到广泛关注。该文介绍了磁性石墨烯、磁性碳纳米管、磁性石墨化碳黑的制备及其功能化方法——进行官能团、高分子聚合物和功能材料的修饰,简要概述了mCBMs在食品农残检测中的应用、存在的问题与未来发展的方向,以期为拓展mCBMs在农残检测中的应用提供参考。