一步碳化多孔有机材料制备多孔碳及其性能的研究

开发并利用清洁的、可再生的能源是解决环境污染问题和能源短缺的有效方法.碳化含碳量较高的多孔有机材料制备的多孔碳,具有较高的比表面积,良好的物化稳定性,优良的机械性能等优点,在清洁能源的存储、分离、能量的存储与转化领域有广泛的应用.常见的由多孔有机材料制备多孔碳的方法主要是非活化碳化法和活化碳化法.不同的制备方法得到的多孔碳形貌,孔结构各不形同.多孔碳材料自身的结构性质可以影响其应用.合理的设计并调控多孔碳的“孔”,发挥孔尺寸的“筛分效应”可以有效地对气体进行存储和分离.在锂电等能量转化领域,“限域效应”是影响锂电性能的重要因素.多孔碳材料中较小的孔可以限域活性成分,而较大的孔可以快速传输,两种孔的协同效应可以使锂电性能大大提升.本综述系统地归纳了一步碳化多孔有机材料制备多孔碳的方法及其优势,详细地介绍了其在气体吸附、存储、分离以及电化学等领域的应用.最后,结合多孔碳材料的研究现状,提出由多孔有机材料制备多孔碳材料所面临的挑战,同时也展望了多孔碳材料的应用前景.     

模板法制备中孔碳材料

模板法为各种中孔碳材料的可控和定向合成开辟了一条新的技术途径,近几年来已经成为国内外材料制备领域研究的热点之一.中孔碳材料具有孔道排列规则有序、孔径分布窄和比表面积高等特点而被广泛应用于气体分离、催化剂载体、吸附、色谱分析、超级电容器以及燃料电池等很多方面.本文综述了近几年来国内外模板法制备中孔碳材料的研究进展,重点阐述了模板法的种类,中孔碳材料的合成机理、方法以及中孔碳材料在生物、催化和电子能源等领域的应用,并分析了模板法制备中孔碳材料的发展趋势,认为中孔分子筛模板法和软模板法是未来制备中孔碳材料的重要方向.     

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。     

超级电容器炭电极材料的研究

炭电极材料是超级电容器的核心,该领域的研究近年来相当活跃,活性炭粉、活性炭纤维、碳凝胶、碳纳米管、玻态炭、模板炭、碳化物衍生炭、石墨烯等各种多孔炭材料用作超级电容器电极材料的研究都有报道.本文概述了我们近年来在超级电容器炭电极材料方面的研究工作,主要介绍了强碱化学活化制备活性炭电极材料、纳米CaCO3模板法制备介孔炭电...     

有序大孔材料的制备及其应用

本文综述了近年来有序大孔材料的制备及应用.有序大孔材料的制备方法有胶态晶体模板法、生物模板法及其它模板法,重点阐述了用胶态晶体为模板制备有序大孔材料,如大孔金属、大孔无机氧化物、大孔碳、大孔半导体、大孔无机盐、大孔碳/无机氧化物复合物和大孔有机聚合物.用胶态晶体为模板制备有序大孔材料在催化、吸附、分离、传感器、光子晶体和声学等领域有潜在的应用.     

模板辅助合成氮掺杂的多孔碳基氧还原电催化剂的研究进展

氮掺杂的多孔碳材料有望能取代当前普遍应用于质子交换膜燃料电池和金属-空气电池阴极中的贵金属氧还原催化剂,因而备受关注. 模板辅助合成技术作为一种可靠、通用的方法已经在多孔碳电催化剂的制备中得到了广泛的应用. 在碳基ORR电催化剂中,其ORR活性受到诸多因素的影响,如掺杂剂的浓度及其在碳上的分子掺杂态、孔洞结构、比表面积以及碳基材料的导电性等. 本文对近期氮掺杂多孔碳电催化剂的设计、制备、功能化及其在氧还原电催化中的应用研究进展进行了总结,同时展望了模板辅助合成法的一些发展趋势.     

模板辅助合成氮掺杂的多孔碳基氧还原电催化剂的研究进展（英文）

氮掺杂的多孔碳材料有望能取代当前普遍应用于质子交换膜燃料电池和金属-空气电池阴极中的贵金属氧还原催化剂,因而备受关注.模板辅助合成技术作为一种可靠、通用的方法已经在多孔碳电催化剂的制备中得到了广泛的应用.在碳基ORR电催化剂中,其ORR活性受到诸多因素的影响,如掺杂剂的浓度及其在碳上的分子掺杂态、孔洞结构、比表面积以及碳基材料的导电性等.本文对近期氮掺杂多孔碳电催化剂的设计、制备、功能化及其在氧还原电催化中的应用研究进展进行了总结,同时展望了模板辅助合成法的一些发展趋势.     

表面活性剂稳定高内相乳液的研究进展

具有较高孔隙率和较高比表面积的多孔聚合物材料在能源、化工、生物和功能性材料等领域应用广泛。目前越来越多的研究是以高内相乳液为模板来制备多孔聚合物材料,其中高内相乳液的稳定对多孔聚合物材料的制备十分重要。本文主要介绍了近年来发展的多种用于高内相乳液滴稳定的表面活性剂,以及以高内相乳液为模板制备得到的多孔聚合物材料在多个领域中的应用。     

聚合物基超疏水材料制备技术的研究进展

聚合物基超疏水材料由于制备工艺简单、制备方法多样,正逐步成为最主要的仿生疏水材料,为工农业生产和人们的日常生活带来极大的便利。文章综述了聚合物基超疏水材料制备技术的最新研究进展,介绍了国内外有关聚合物基超疏水材料的制备工艺和制备方法,包括模板法(生物模板法、多孔阳极氧化铝法、多孔CO2微球层模板法)、化学气相沉积法、蒸汽诱导相分离法、电纺法、激光和等离子刻蚀法等,并指出了今后超疏水材料将面临的挑战。     

高内相比乳液模板法合成多孔材料的研究进展

综述了以高内相比乳液作模板制备多孔材料的研究进展,介绍了油包水(W/O)乳液体系法、水包油(O/W)乳液体系法和超临界CO2法等制备方法、各种多孔材料的泡孔及通道直径、比表面积、密度等性能,以及这类多孔材料在生物医学、有机化学品清除、化学催化、水溶液中固体杂质分离、液相色谱、电化学传感器等领域的应用,并对其发展前景进行了展望。     

General and Facile Syntheses of Metal Silicate Porous Hollow Nanostructures

Porous hollow nanostructures have attracted intensive interest owing to their unique structure and promising applications in various fields. A facile hydrothermal synthesis has been developed to prepare porous hollow nanostructures of silicate materials through a sacrificial‐templating process. The key factors, such as the concentration of the free metal cation and the alkalinity of the solution, are discussed. Porous hollow nanostructures of magnesium silicate, nickel silicate, and iron silicate have been successfully prepared by using SiO₂ spheres as the template, as well as a silicon source. Several yolk–shell structures have also been fabricated by a similar process that uses silica‐coated composite particles as a template. As‐prepared mesoporous magnesium silicate hollow spheres showed an excellent ability to remove Pb²⁺ ions in water treatment owing to their large specific surface and unique structures.     

纤维素纳米晶模板法制备多级孔炭材料及其电化学性能

以纤维素纳米晶(CNC)为模板,酚醛树脂为碳源,KOH为活化剂,通过高温碳化制备了多级孔炭材料.采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱仪(XPS)等手段对合成的一系列炭材料进行了表征.结果表明,前驱体中CNC的降解会形成与CNC直径相当的介孔,KOH活化则会导致炭材料产生大量的微孔和大孔,以及部分4 nm左右较小尺度的介孔,所制备炭材料呈现明显的多级孔特性,其比表面积达554.7 m²/g,总孔体积为0.323 cm³/g.以CNC为模板,KOH活化的炭材料作为电极材料时,在1.0 A/g电流密度下其比电容达202.8 F/g,当电流密度升高至40.0 A/g时,其电容保持率仍达69%,表明该炭材料具有优异的倍率性能;由该电极材料组装的超级电容器在10000次充放电循环后,电容保持率达95%以上,具有良好的循环稳定性.     

Carbohydrate-derived porous carbon materials: An ideal platform for green organic synthesis

Porous carbon materials have attracted much attention in the field of organic synthesis in recent years,due to their tunable properties, excellent catalytic activity and stability. Biomass-based carbohydrates emerge as an ideal precursor for the generation of these materials owing to their renewability, low cost,non-toxicity and high content of functional groups. Thus, carbon materials prepared from carbohydrates is of considerable importance for the sustainable development of organic chemistry....     

模板法组装纳米有序阵列的研究进展

由金属、半导体、碳纳米管、聚苯胺等组成的纳米有序阵列体系,在能量存储或转换、传感等方面具有广阔的应用前景。模板法组装纳米有序阵列体系是以具有特定微孔结构的材料为模板,通过电化学沉积、溶胶-凝胶沉积和化学气相沉积等手段,让纳米单元在模板提供的受控环境中原位生成,形成纳米有序阵列体系。模板法具有可控性好、工艺简便、能耗低等优点。本文综述了模板法组装纳米有序阵列体系的研究进展,并对纳米有序阵列体系的应用前景作了展望。     

Preparation of high-surface-area zinc oxide with ordered porosity, different pore sizes, and nanocrystalline walls

Transition-metal-oxide materials possessing ordered mesoporosity have recently attracted significant research interest due to their numerous potential applications. Among them, ordered mesoporous zinc oxide (ZnO) is a very tempting material because of the importance of ZnO in heterogeneous catalysis. Here, first results of the preparation of ordered mesoporous ZnO materials by using different templates are reported. Porous materials with high surface area, different pore sizes, and nanocrystalline ZnO walls were obtained. Furthermore, we compare the two fundamental templating techniques, involving liquid crystals or ordered mesoporous carbon materials as templates. Regarding the formation of mesoporous ZnO, it was evident that the hard-matter carbon template is superior.     

糖蜜基多孔碳球电极材料的制备及应用

以工业制糖的副产物糖蜜为新型碳源,替代传统多孔碳生产原料,制备出性能优异的多孔碳球超级电容器电极材料;探索了制备方法,优化了反应条件.利用全功能表面吸附仪、扫描电子显微镜及电化学方法对材料的结构、形貌和电化学性能进行了表征.结果表明,制得的多孔碳球比表面积高达2547 m~2/g,且展现出优异的双电层电容性(170.5 F/g).本研究可解决制糖企业对糖蜜无法大规模利用的问题,并为多孔碳的制备寻求新方法.     

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%。     

Fabrication of porous graphitic carbon nitride-titanium dioxide heterojunctions with enhanced photo-energy conversion activity

Porous graphite-phase polymeric carbon nitride (GPPCN)/TiO₂ donor-acceptor heterojunction was facilely fabricated through the combination of a template technique with a co-calcination process, which exhibited much higher photoelectric activity compared to pristine carbon nitride and TiO₂. The precursor of porous GPPCN (pGPPCN), porous melem, was prepared by using a green template, calcium carbonate, which could be easily removed by diluted hydrochloride. The pGPPCN/TiO₂ heterojunction was then obtained by the assembly and subsequent co-calcination of TiO₂ nanoparticles with porous melem. The formation of pGPPCN/TiO₂ donor-acceptor heterojunction prepared by this method showed improved surface area and light absorption. Moreover, the composite presented much higher photo-energy conversion activity than those of GPPCN, pGPPCN and TiO₂, which could be mainly ascribed to the high charge carrier separation efficiency. This study provides a new approach for the design and development of various photocatalysts with high efficiency for applications in energy fields.     

纳米尺度电极材料的模板法合成及其电化学性能研究(英文)

本文利用氧化铝模板法合成了不同纳米尺寸的LiMn2 O4 纳米管 /纳米线及碳纳米管 .采用原子力显微镜 (AFM )及高分辨透射电镜 (TEM )表征了相关的模板及纳米管 .同时也报道了以纳米管阵列的LiMn2 O4 电极的循环伏安法的初步研究结果     

Surfactant templated sulfonic acid functionalized silica microspheres as new efficient ion exchangers and electrode modifiers

Porous sulfonic acid functionalized silica spheres have been prepared by oxidation ofthiol-functionalized mesoporous silica samples obtained by co-condensation of (mercaptopropyl)trimethoxysilane and tetraethoxysilane in the presence ofcetyltrimethylammonium as a template. The physicochemical characteristics of the resulting ion exchangers have been analyzed by various techniques and discussed with respect to the amount of functional groups in the materials. Their ion exchange behavior was then studied from batch experiments (determination of cation exchange capacities) and by electrochemistry at carbon paste electrodes modified with these solids. In particular, ion exchange voltammetry applied to two model electroactive cations, Cu2+ and Ru(NH3)6(3+), has pointed out the key role played by the content of organofunctional groups in the materials (which strongly affects their structure and porosity) on their performance as electrode modifiers for preconcentration of target analytes prior to electrochemical detection.