氮掺杂多孔碳的制备及其电化学性能研究

利用溶剂挥发结合高温热聚合法制备了氮掺杂多孔碳(NPC)材料,并通过SEM、TEM、TG、N_2吸附-脱附、XPS等表征手段对样品的微观形貌结构和元素组成进行了分析.结果表明,氮元素掺杂明显增加材料的比表面积和孔体积,当制备的氮掺杂多孔碳材料的含氮量为4.2%(原子分数)时,它的比表面积高达422.0m~2/g高于没有氮掺杂样品的301.1m~2/g.此外,采用循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗对NPC材料的电化学性能进行了深入研究.测试结果表明氮元素掺杂能够明显增加材料的比电容量,降低材料的内阻,极大提高碳材料的电化学性能.在0.5A/g的电流密度下,通过氮元素掺杂使得材料的比电容从83.8F/g提高至162.8F/g,内阻值从1.39Ω降低至0.47Ω;并且所得的氮掺杂多孔碳样品具有良好的倍率性能和循环稳定性.     

多孔碳材料的合成及其在锂离子电池中循环性能的研究

基于多孔有机聚合物及其衍生碳材料在锂离子电池负极材料领域的发展和研究现状,探究了一种孔径可控的多孔碳纳米球的合成方法 .首先,设计合成了6,13-双（双4-溴苯基亚甲基）并五苯化合物,并以此为单元制备了一系列具有规则形貌的新型多孔有机聚合物.通过将不同孔径尺寸的聚合物在不同温度下进行碳化,以此探究碳化温度对材料电化学性能的影响.根据得到的数据可知,多孔碳材料THF-800具有最好的循环稳定性和优异的倍率性能,由此证明THF-800在锂离子电池负极材料领域具有潜在应用价值.此外,对锂离子电池负极材料孔径尺寸进行了调控,可以促进有机材料在锂离子电池中的应用,最终拓展了多孔有机聚合物衍生碳材料在锂离子电池负极材料中的应用范围.     

硼掺杂多孔碳球吸附Cd(Ⅱ)的热力学和动力学

以蔗糖为碳源、硼酸为硼源,采用水热法和化学活化法制备出硼掺杂多孔碳球(boron-doped porous carbon spheres,B-PCS),利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)和比表面积(BET)对B-PCS进行物理表征分析,探究B-PCS吸附Cd(Ⅱ)的热力学和动力学。结果表明,B-PCS为球状无定型结构的碳材料,直径为1～6μm,比表面积达672.2 m~2·g~(-1),孔体积为0.356 cm~3·g~(-1),且表面含有大量的含氧和含硼官能团,这些特性可以为Cd(Ⅱ)提供更多的活性吸附位点,有利于提高B-PCS对Cd(Ⅱ)的吸附性能。动力学符合准二级动力学模型,B-PCS对Cd(Ⅱ)的吸附为化学吸附控制过程,内扩散和Boyd模型表明粒子内扩散不是控制吸附速率的唯一因素。Freundlich方程能更好地模拟吸附等温线,最大理论吸附量为41.5 mg·g~(-1),0R_L1,说明B-PCS吸附Cd(Ⅱ)为有利吸附。吉布斯自由能(ΔG~0)小于0,焓变(ΔH~0)大于0,熵变(ΔS~0)大于0,表明B-PCS吸附废水中的Cd(Ⅱ)为自发、吸热、熵增的过程。     

SnS2/SnS/NC异质结构微米花的构筑及储钾性能探究

采用水热法制备SnS₂微米花(MFs),以聚多巴胺衍生的氮掺杂碳(NC)作为还原剂和缓冲基质,合成了SnS₂/SnS/NC异质结构微米花(SSNC MFs)作为钾离子电池负极材料。SnS₂和SnS形成的异质界面加快了电荷的转移,进而改善了电化学动力学。同时,NC增强了复合材料的导电性和结构稳定性。因而,SSNC MFs电极在0.1 A/g下,循环50周的可逆比容量为492.4 mAh/g, 2.0 A/g下仍保持在199.6 mAh/g,远大于相同测试条件下的SnS₂MFs电极(分别为132.1和28.4 mAh/g),表现出显著提升的可逆比容量、循环稳定性和倍率性能。     

12-硼钨酸钾掺杂聚苯胺的制备、表征和性能

以过硫酸铵为氧化剂,采用化学氧化聚合法制备了12-硼钨酸钾(K5BW12O40·nH2O)与盐酸共掺杂的聚苯胺材料。通过傅里叶红外光谱分析、X射线衍射分析和电导率测试等手段研究了12-硼钨酸钾与苯胺单体的质量比(X)对掺杂聚苯胺结构和性能的影响,同时结合循环伏安测试研究了材料的电化学性质。结果表明,在掺杂过程中[BW12O40]5-作为对阴离子进入到聚苯胺链上,其含量随着X的增大而增多。进入分子链上的[BW12O40]5-阴离子会影响材料分子链排列的有序程度,进而影响材料的导电性能。合成的新材料可作为新型的电化学活性材料。     

高镍正极-锂碳负极锂离子电池制备与性能研究

为提升锂离子电池能量密度、循环寿命、快充能力和安全性等方面性能,本文研究纳米级硅碳复合负极材料合成技术,以提高硅碳材料在电池充放电过程中的首次库伦效率、改善材料的循环稳定性、增强材料导电性,并解决硅碳材料易出现的体积膨胀技术难题.通过优化配方,得到与之匹配的高比容量镍钴铝正极材料和高电导电解液,获得具备长寿命(＞2 000次循环)的超高能量密度锂离子电池(能量密度＞350 Wh/kg),将硅碳负极材料的比容量提高至600 mAh/g以上;采用纳米技术和单分子层超薄修饰技术研发的纳米镍钴铝复合正极材料的比容量达到200 mAh/g以上;研究出匹配硅碳复合负极材料的宽温电解液配方,以保持离子的电导率和高稳定性,有效提高电池的电化学性能.对锂离子电池的结构设计、工艺控制以及极片制备技术进行进一步优化,以提升其能量密度、循环寿命和安全性,使其能够规模化地应用于动力及储能市场.     

多孔MnO@C立方体的制备及电化学性能研究

采用水热法合成了原位葡萄糖包覆的前驱物MnCO3,将其煅烧制备出多孔MnO@C微米立方复合材料.利用X射线衍射仪、热重分析仪和扫描电子显微镜对该复合材料的晶体结构和微观形貌进行表征,并探究了MnO@C的电化学性能.结果表明,与未添加葡萄糖相比,MnO@C复合材料电化学性能明显改善.在1 C的电流密度下,经过200次循环,其放电比容量仍达883.7 mAh·g-1,容量保持率达95.1％;而在8 C大电流密度下,仍具有236.3 mAh·g-1的放电比容量.葡萄糖的加入和介孔中空立方体结构的结合提高了MnO倍率性能,使其循环性能相对稳定.     

基于硼氮共掺杂荧光碳点定量分析吡罗昔康

以邻苯二胺、谷氨酸及硼酸为前驱体,通过简单的一步水热法成功制备水溶性极好的硼氮共掺杂荧光碳点(B,N-CDs)。该B,N-CDs粒径约为20 nm,在吡罗昔康(PRX)的存在下,由于B,N-CDs和PRX之间存在强烈的电子或能量转移导致发生了强烈的荧光淬灭效应。据此,应用荧光碳点B,N-CDs作为荧光探针成功构建了高选择性、高灵敏性的PRX检测荧光传感器。实验数据显示,该传感器具有响应速度快、线性范围宽和检测限低等优点。检测PRX的线性范围为2×10~(-5)～1.5×10~(-4) mol/L,LOD为5.7×10~(-8) mol/L。该传感器用于实际样品检测得到了较好的回收率(94.3%～103.3%),充分说明B,N-CDs在药物检测领域具有很好的潜在应用价值。     

氮掺杂多孔MOF衍生碳电极的构筑及其电化学性能

通过两步法成功将氮掺杂石墨烯量子点(N-doped graphene quantum dots,N-GQDs)与金属有机骨架衍生碳材料(cZIF-8)组合制备出N-GQDs@cZIF-8超级电容器.1 mol/L H_2SO_4电解质中,该电极在0.5 A·g~(-1)电流密度下具有246.6 F·g~(-1)的比容量,在循环8000次时仍然保持83.7%的容量保留率,展现了优异的循环稳定性.同时, NGQDs@cZIF-8超级电容器在104.5 W·kg~(-1)的功率密度下获得了8.2 W·h·kg~(-1)的优异能量存储能力,这样显著的电化学性能主要因其具有高比表面积的三维结构和高赝电容活性的氮掺杂水平(10.13%),使其在超级电容器、锂离子电池等能量存储领域具有潜在的应用前景.     

多孔Ti3C2Tx/SnSe复合材料的制备及其储钾性能

采用原位氧化-刻蚀法和水热合成法制备了多孔MXene复合材料(Ti₃C₂T_x/SnSe),并对所制备的材料进行了结构表征与电化学性能测试. 结果表明:在0.05 A/g的电流密度下,多孔Ti₃C₂T_x/SnSe电极具有381.9 mA ·h/g的储钾容量,而相同情况下SnSe电极的比容量仅为119.2 mA ·h/g. 在1 A/g的电流密度下,多孔Ti₃C₂T_x /SnSe电极的初始可逆比容量为118.5 mA ·h/g,循环500次的比容量仍保持在35.4 mA ·h/g. 多孔Ti₃C₂T_x/SnSe电极材料优异的电化学性能得益于多孔Ti₃C₂T_x材料的高导电性,它不仅缓解了SnSe的体积膨胀,而且为离子的转移提供了良好的通路.     

锂离子电池多孔硅／碳复合负极材料研究

以硅粉、镁粉和葡萄糖为原料,采用高温固相烧结工艺及水热法制备了循环性能优异的锂离子电池多孔硅／碳复合负极材料．利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）对样品物相和微观形貌进行表征,研究了无定形碳包覆量对产物电化学性能的影响．无定形碳的存在,不仅对多孔硅粉的三维孔隙结构起到了支撑作用,也可有效改善复合材料的导电性能并有效缓冲电化学嵌／脱锂过程中多孔硅颗粒所产生的体积效应．电化学性能测试表明,10次循环后,多孔硅／碳复合负极材料平均每周次容量衰减为0．41%,100次循环后其可逆容量仍可维持在608．7mA·h／g．     

硅/Ag/碳复合负极材料的制备、结构及其电化学性能研究

研究了银包覆和银-碳复合包覆对硅的结构和电化学性能的影响。采用XRD和TEM等手段分析了样品的结构和形貌,并采用恒电流充放电测试、循环伏安法和电化学阻抗法研究了改性处理前后硅负极的电化学性能。结果表明,硅/Ag/碳复合负极材料中,Ag纳米微粒以晶体的形式分布在硅颗粒的表面,一层无定形沥青炭包覆在硅/Ag复合颗粒的表面,这有利于提高硅颗粒的结构稳定性。电化学测试表明,与硅相比,硅/Ag/炭复合负极材料的电化学阻抗减小,电化学极化减弱,电化学反应的可逆性和循环寿命显著提高,第40次循环的比容量保持在390 m Ah g-1。     

NP共掺杂的多孔碳材料在氧还原方面的应用

可持续清洁能源的发展对缓解能源和环境危机有着不可或缺的作用,燃料电池具有可循环性、产物清洁等优点,其中氢氧燃料电池有很大的发展前景,而寻找非贵重催化剂替代Pt基催化剂成为研究氢氧燃料电池阴极(ORR)氧还原反应的研究重点之一.本课题选择廉价易得的工业废料-木屑作为框架材料,通过N和P双掺杂的方法,对其表面进行后修饰.利用其协同效应,得到具有良好ORR活性的多孔碳材料,并利用电化学工作站对其进行ORR性能测试,结果表明calZIF-wood-24h具有较高ORR活性和较好的稳定性,而且其较低的成本为广泛的实际应用提供了可能.     

咖啡渣制备多孔碳材料及其在锂离子电池上的应用

以咖啡渣为原料, 利用碳化与活化反应制备出多孔的碳材料, 并利用X射线衍射、 扫描电子显微镜、 Raman光谱和N₂吸附脱附等方法分析该材料的物理化学性质. 结果表明: 该材料具有较高的石墨化程度; 当质量电流密度为0.1 A/g时, 其首圈放电和充电质量比容量值分别为1 029 mA·h/g和461 mA·h/, 且循环稳定性较好, 其质量比容量远高于石墨的理论容量（372 mA·h/g）.     

石墨烯-碳量子点复合材料的电化学性能研究

采用Hummers法和水热法,制备石墨烯和碳量子点溶液作为前驱体,然后通过一步煅烧法制得石墨烯-碳量子点复合材料。借助SEM、UV-Vis、FTIR等手段,对样品的形貌和结构进行表征;利用循环伏安法(CV)、差分脉冲伏安法(DPV)及恒流充放电循环测试等,重点考察了样品的电化学性能。结果表明,在石墨烯表面负载碳量子点可增加材料的比表面积并改善其机械性能,由于活性位点的增加,所制石墨烯-碳量子点复合电极具有较好的可逆性及电化学活性;在检测不同浓度双氧水时,复合电极的灵敏度为纯石墨烯电极的1.4倍左右;石墨烯-碳量子点复合材料作为锂离子电池负极使用时,与纯石墨烯材料相比具有更好的循环稳定性,且容量保持率提高了1.67倍。     

12-硼钨酸钾掺杂聚苯胺的制备、表征和性能简

以过硫酸铵为氧化剂,采用化学氧化聚合法制备了12-硼钨酸钾（K5 BW12 O40·nH2O）与盐酸共掺杂的聚苯胺材料。通过傅里叶红外光谱分析、X射线衍射分析和电导率测试等手段研究了12-硼钨酸钾与苯胺单体的质量比（X）对掺杂聚苯胺结构和性能的影响,同时结合循环伏安测试研究了材料的电化学性质。结果表明,在掺杂过程中[BW12 O40]5-作为对阴离子进入到聚苯胺链上,其含量随着犡的增大而增多。进入分子链上的[BW12 O40]5-阴离子会影响材料分子链排列的有序程度,进而影响材料的导电性能。合成的新材料可作为新型的电化学活性材料。     

尖晶石型掺杂锂钛复合氧化物的性能研究

采用高温固相法合成尖晶石型锂钛复合氧化物,并对材料进行Sn、Cr掺杂改性.采用XRD测试对材料进行表征,恒流充放电,电化学阻抗,循环伏安测试方法对材料进行电化学性能测试.实验结果表明,Sn、Cr复合掺杂提高了材料的容量,其中,ST首次放电容量达到168 mAh/g,SC的首次放电容量达到170 mAh/g.同时降低了材料的放电电压平台,改善了材料的电化学性能.     

硅/碳复合材料的高温热解法制备及其电化学性能

采用高温热解方法成功地合成了高容量硅/碳复合负极材料.通过X射线衍射分析、热重分析、扫描电子显微镜观察、透射电子显微镜观察、恒电流充放电测试、循环伏安法等手段研究了复合材料的性能.结果表明：硅/碳复合材料由Si、C以及少量SiO2组成;硅/碳复合材料中碳的质量分数约在39%左右;经电化学性能测试,在电流0.2 mA下,该硅/碳复合材料首次充电容量768 mAh·g-1,首次库仑效率75.6%,70次循环后可逆比容量仍为529 mAh·g-1,平均容量衰减率为0.44%.这些性能改善归因于硅/碳复合材料中碳的引进,硅表面存在的碳涂层提供了一个快速锂运输通道,降低了电池的阻抗并且充放电过程中稳定了电极的组成.     

锂离子电池负极热解碳材料的研究

用正交试验设计和极差、方差分析的方法,研究了热解酚醛树脂碳材料,该材料第１周放电容量为３６０ｍＡｈ／ｇ,充电容量为１４５ｍＡｈ／ｇ,充放效率为４０．３％￣８０．４％,嵌入深度为０．９７,符合锂离子二次电池负极材料的应用要求。并在最优条件下对几种聚合物或有机混合物进行了热解,获得的碳材料具有较优的充放电性能,其中沥青和掺杂磷的沥青的热解碳材料具有优良的嵌锂充放电性能,非常适宜用作实际的锂离子二次电池