储能用生物质基先进碳材料的研究进展

简述了生物质基碳材料的储能机理及常用的制备方法；综述了形貌、类石墨结构、孔道以及表面官能团和杂原子掺杂等影响生物质基碳材料储能性能的规律和机理；最后对储能用生物质基碳材料未来的发展趋势和研究方向进行了展望。     

元素掺杂生物质炭材料在电化学储能中的研究进展

在“双碳”目标的背景下,新型生物质炭材料的开发及其在电化学储能领域中的应用引起了人们广泛的关注。在各种优化生物质炭材料性能的方法中,元素掺杂能够解决比容量低、稳定性差的问题,为提高生物质炭材料电化学性能提供了一种简单、有效的方法和策略。本文从植物基、动物基和微生物基三方面介绍了元素掺杂生物质炭材料的来源,并根据掺杂元素的种数将元素掺杂生物质炭材料归纳为单元素掺杂和多元素共掺杂。回顾了元素掺杂生物质炭材料在超级电容器、锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等电化学储能器件中的应用,在此基础上分析了其化学组成和微观结构对电化学性能的影响。同时对其今后的发展和商业化前景做出展望,指出掺杂元素的种类和含量的调控、制备方法和工艺的优化、生物质自掺杂属性的激活仍是目前亟待解决的问题和未来的发展方向。     

生物炭基材料在抗生素废水处理中的研究进展

生物炭是一种由生物质原料热解而成的稳定多孔碳材料。目前，生物炭及其碳基材料作为功能材料因其在一定程度上不仅实现了废弃物的合理资源化利用，而且兼具经济与环境效益而倍受研究者关注。本文综述了生物炭的生物质原料种类、生物炭在不同成分下（纤维素、半纤维素、木质素）的形成机制及表面特性；重点介绍了生物炭的改性技术，主要包括物理化学处理、杂原子掺杂、金属元素掺杂、多种元素共掺杂以及制备工艺的改良等，生物炭改性的目的是为了增加其比表面积、反应活性位点和官能团，改良孔隙结构和无机成分，从而提高它在修复环境污染的性能；然后综述了生物炭作为优良吸附剂或催化剂在用于抗生素废水的具体应用及其去除机理。最后指出生物炭虽被证明了具备去除水中各类抗生素的潜力，但在材料本身的优化以及工程抗生素废水应用中仍有一些需要填补的知识空白。     

氮掺杂多孔炭材料的研究进展

杂原子掺杂是提升多孔炭材料性能的有效方法之一,其中氮原子掺杂以其原料来源广、制备工艺简单成为了杂原子掺杂的研究热点。本文对近年来氮掺杂多孔炭材料的研究进行了总结,对直接热解法、水热合成法、模板法、化学气相沉积法和后处理法制备氮掺杂多孔炭材料的研究进展进行了综述,同时介绍了氮掺杂多孔炭材料在吸附、催化和电化学领域的应用情况。最后对氮掺杂多孔炭材料今后的研究方向进行了展望。     

生物炭应用于超级电容器的研究进展

生物质是可再生的绿色资源，是制造炭材料的优质原料。生物质固有的有序多孔结构有利于活化过程，产生具有超高比表面积和孔体积的多孔炭。生物质中固有的N、S、P和O元素可产生具有独特结构的自掺杂生物炭。本文综述了生物炭的合成方法以及在超级电容器中应用。结果表明，生物炭的电化学性能取决于其孔隙结构、比表面积、杂原子掺杂、石墨化程度等。通过与过渡金属(氢)氧化物、导电聚合物等复合，可以进一步提高其电化学性能。     

氮磷共掺杂生物质多孔碳材料的制备及其氧还原性能研究

将槟榔原料与一定量的磷酸氢二铵均匀混合，在氮气气氛下制备氮磷共掺杂生物质炭，再与KOH二次煅烧生成孔隙结构发达的杂原子掺杂多孔碳。电化学测试结果表明，杂原子掺杂碳催化剂材料的ORR(氧还原)活性良好，具有优异的稳定性和抗中毒特性。组装的锌-空气电池的测试结果显示，无金属催化剂可与商业20%Pt/C催化剂性能相媲美，表明以生物质为基础的氮磷共掺杂活性炭是一种很有商业价值的氧还原催化剂材料。     

硫掺杂炭材料的制备与应用

杂原子掺杂可以改变炭材料的表面化学结构,从而带来材料性能的变化。研究人员通过选择不同的碳源、开发新的制备技术等手段,相继制备了多种结构独特、性能优异的硫掺杂炭材料。本文基于硫掺杂炭材料国内外的最新研究进展,总结了以不同碳前体制备硫掺杂炭材料的研究工作,评述了不同前体及制备工艺对硫掺杂炭材料组成、结构的影响;并简要介绍了硫原子掺杂对炭材料在超级电容器、电催化等方面应用性能的影响。有关硫掺杂炭材料的研究还是一个全新的课题,尽管研究人员已经做了大量努力,但如何控制材料的结构仍然是一个具有挑战性的课题,利用富碳前体做原料来控制制备硫掺杂炭材料对于规模化应用更具实际意义。     

废弃物衍生分级多孔炭的制备及吸附应用进展

分级多孔炭因其高比表面积、大孔容及分级孔结构,目前广泛应用于超级电容器、锂离子电池、催化及吸附等领域。废弃物在热解气化过程中残留的碳基材料则是制备分级多孔炭很好的前体。本文根据废弃物来源及自身特性间的差异,对生物质和非生物质废弃物作为原料制备的分级多孔炭的特性及应用进行了综述及总结。并对不同制备方法的优劣及适用对象进行了比较。对分级多孔炭在挥发性有机物（VOCs）吸附、CO₂吸附捕集、染料吸附、抗生素以及酚类物质的吸附过程进行分析,总结出废弃物基多孔炭在孔径结构及表面杂原子掺杂情况下的优势能够增强这几类物质的吸附效果。结合已有文献,对废弃物基分级多孔炭的制备、孔径设计及表面官能团设计提出展望。     

杂原子掺杂碳基氧还原反应电催化剂研究进展

氧还原反应（ORR）是质子交换膜燃料电池和金属空气电池等清洁能源转化技术中的关键步骤，但其反应能垒高，动力学缓慢。目前，氧还原性能最佳的催化剂仍然是已经商业化的碳载铂（Pt/C）催化剂，但其价格高、资源储量低，难以大规模应用。因此，近年来许多研究者致力于探寻低成本高性能非铂ORR催化剂，以期降低催化剂成本，推进质子交换膜燃料电池和金属空气电池的商业化进程。杂原子掺杂碳材料属于一种新型的非贵金属ORR催化剂，具有优异的电化学性能且成本低廉，显示了广阔的应用前景。以杂原子的不同作用原理为线索综述最近几年杂原子掺杂碳基ORR催化剂的研究进展，着重论述杂原子对于碳材料电子结构的影响，并讨论了杂原子掺杂碳材料催化剂面临的问题以及发展趋势。     

杂原子掺杂碳材料活化过硫酸盐技术的研究进展

碳材料因其比表面积高、吸附性能佳,并且能克服加热、紫外光照射、超声等传统活化方式能耗高、金属催化材料产生二次污染的弊端而在活化过硫酸盐降解有机污染物应用中具有潜力。杂原子（N、S、B、P等）掺杂不仅能打破碳材料网络惰性、提高电导率,还能增加反应活性位点,是提升碳材料活化过硫酸盐性能的有效途径。本文介绍了碳材料活化过硫酸盐的机理,主要包括自由基途径、单线态氧途径及表面电子传递,并进一步总结了杂原子掺杂碳材料活化过硫酸盐的机理;然后综述了杂原子碳材料的种类、制备方法及其在有机污染物降解中的应用,最后指出了已有研究存在的不足,并提出杂原子掺杂碳材料稳定性及可重复利用性的提升和降解机制的深入探索是未来研究的方向。     

电纺聚丙烯腈基碳纳米纤维在超级电容器中的应用

静电纺丝法制备聚丙烯腈（PAN）基纳米纤维具有较大的比表面积、较高的机械强度、优异的纳米结构及良好的化学稳定性。以PAN纳米纤维为基础,进行多方位设计与合成的电极材料在超级电容器中表现出优异的电化学性能,具有广阔的应用前景。本文根据电极材料分类,主要综述了近年来PAN基多孔结构电极材料、杂原子掺杂电极材料以及与碳系材料、导电聚合物、金属氧化物复合等电极材料的研究进展;讨论了电极材料的结构特征、制备方法及其提高电化学性能的原理;最后指出了上述研究中存在的问题,并对未来PAN基电极材料在超级电容器的发展前景进行了展望。     

木质纤维素复合生物质薄膜材料的功能化应用研究进展

为了解决传统石油基高分子薄膜不可降解等问题,纤维素、淀粉、壳聚糖等生物质薄膜材料因其具有绿色可降解性等优点而备受关注并展现出良好的发展前景。但生物质薄膜往往存在强度低、耐水性差等问题,限制了其进一步发展及功能化应用。本文综述了以木质纤维素作为添加剂增强生物质薄膜的力学强度、防水性、紫外屏蔽等性能的研究进展,重点探讨了不同结构性质的木质素和不同尺度的微纳米木质纤维素对生物质薄膜性能的影响,并进一步综述了木质纤维素复合生物质薄膜材料在包装材料、电极材料以及催化材料领域中的功能化应用研究进展。分析并展望了木质纤维素复合生物质薄膜在制备及功能化方面的优势、不足以及发展方向,以期为采用木质纤维素改良生物质薄膜的研究提供借鉴。     

Enhanced methanol electro-oxidation activity of PtRu catalysts supported on heteroatom-doped carbon

A typical heteroatom (nitrogen)-doped carbon materials were successfully synthesized through the carbonization of a hybrid containing traditional carbon black covered by in situ polymerized polyaniline. The nitrogen content onto carbon can be adjusted up to 5.1 at.% by changing the coverage of polyaniline. The effects of nitrogen doping on the surface physical and electrochemical properties of carbon were studied using XPS, XRD and HRTEM, as well as CV and EIS techniques. With increasing nitrogen doping, the carbon structure became more compact, showing curvatures and dislocations in the graphene stacking. The nitrogen-doped carbon also exhibited a higher accessible surface area in electrochemical reactions, and a lower charge transfer resistance at the carbon/electrolyte interface. Moreover, to investigate the influence of nitrogen doping on the electrocatalytic activity of the PtRu/C catalyst, comparisons in CO stripping and methanol oxidation were carried out on PtRu catalysts supported by non-doped and nitrogen-doped carbon. Since the promotional roles of nitrogen doping, including the high electrochemically accessible surface area, the richness of the disordered nanostructures and defects, and the high electron density on N-doped carbon supports, contribute to the synthesis of well-dispersed PtRu particles with high Pt utilization and stronger metal-support interactions, an enhanced catalytic activity for methanol oxidation was obtained in the case of the PtRu/N-C catalyst in comparison with the traditional PtRu/C catalyst.     

胶原基衍生炭在水处理领域的研究进展

胶原基衍生炭具有原料来源广泛、成本低廉、孔结构可调、导电性能优异、缺陷密度高和多原子掺杂等优点，在水处理领域展现出巨大的发展潜力。本文回顾了胶原基衍生炭在国内外的研究现状；对目前常用的前体材料，包括虾壳、鱼鳞、蟹壳、牡蛎壳、动物骨骼和动物皮等进行归纳总结；并就不同的活化与改性工艺，包括碳酸钙或羟基磷灰石自活化法、羟基磷灰石（或碳酸钙）和KOH协同活化法、钾化合物辅助法等，对调控孔隙结构和表面官能团等方面的影响进行了分析比较；重点探讨了其在吸附与催化氧化等水处理领域中的应用。最后，针对水处理过程中存在的问题，提出了相应的对策措施并展望了发展趋势，以期为胶原基衍生炭在实际废水处理中的应用提供理论依据。     

碳基硼基催化体系丙烷氧化脱氢催化剂的研究进展

以碳基硼基为代表的非金属催化剂氧化能力不如金属氧化物,这使得非金属催化体系如碳基和硼基催化剂对于丙烷氧化脱氢反应具有独特的优势。本文综述了应用廉价环保型改性碳基和硼基的非金属丙烷脱氢催化剂将丙烷转化为丙烯的技术前沿,阐述了有序介孔炭材料,纳米碳材料（纳米纤维、石墨烯、碳纳米金刚石等）和六方氮化硼材料各自的丙烷氧化脱氢机理以及通过杂原子改性后提高其催化活性的情况。并对其未来的发展方向以及丙烷氧化脱氢新材料领域的发展做了展望。     

生物质炭基材料在有机催化转化中的应用

近年来,生物质因具有富碳可再生、储量丰富、环境友好、价格低廉等特点被作为原料广泛应用于制备生物质炭基材料。本文综述了以生物质为原料衍生炭基材料作为催化剂在有机转化反应中的相关研究进展,重点介绍了杂原子掺杂、金属杂化策略所制备炭基催化材料在液相催化加氢、氧化、偶联等有机转化反应中的催化性能,进而阐明了炭基催化剂与催化活性之间的构效关系。最后,本文总结了生物质炭基催化剂在有机催化反应中的优势,指出了目前生物质衍生炭基催化剂材料合成和有机转化研究领域面临的挑战,并对此领域的未来发展趋势进行了分析与展望。     

Binary heteroatom doping enhanced the sodium storage performance of porous carbon nanofibers with fast kinetics

The low capacity, poor rate capability and sluggish kinetics limit the practical application of carbonaceous materials. Heteroatom doping is an effective method to regulate the intrinsic property and improve electrochemical reactivity of carbon-based materials. Herein, we prepare N/O co-doped porous carbon nanofibers (N/O–PCNF) with large surface area and high heteroatom doping for sodium ion batteries. The excellent electrochemical performance of optimized N/O–PCNF sample is due to high diffusion coefficient and low charge transfer resistance during the sodiation/desodiation process. Kinetic analysis reveals that the capacitive behaviors play an important role in sodium storage performance of N/O–PCNF sample. Moreover, density functional theory calculations further demonstrate that N/O co-doping can promote the adsorption capacity of sodium ions, and provide theoretical guidance for the excellent sodium storage performance of the electrode.     

生物质基碳气凝胶的研究进展

碳气凝胶是一种新型的纳米多孔碳材料,具有孔隙率高、比表面积大、导电性能优良、耐高温等优点,在催化剂载体、电容器及吸附材料等领域具有广阔的应用前景。与传统的碳气凝胶相比,生物质基碳气凝胶具有前驱体环保可再生的优势,可为生物质高值化、功能化利用提供新思路。本文在简单介绍生物质基碳气凝胶制备过程（包括溶胶-凝胶化、干燥、炭化）的基础上,重点介绍了3类来自不同生物质前驱体（植物纤维素、细菌纤维素和具有三维多孔结构的植物本身）碳气凝胶的制备方法,并对碳气凝胶及其复合材料在催化剂载体、吸附材料、超级电容器、锂离子电池方面的应用进行了综述,最后对生物质基碳气凝胶的研究方向和发展前景进行总结和展望。     

纳/微异构型钙钛矿氧化物电极在固体氧化物燃料电池的研究进展

开发高效、稳定、廉价的钙钛矿氧化物电极材料是固体氧化物燃料电池(SOFC)进一步商业化发展的关键。目前,研究重点仍集中在解决阳极积碳、硫毒化以及阴极氧还原(ORR)低温性能不佳等问题。最近,有研究报道,一些易还原过渡金属元素掺杂的钙钛矿可以在还原气氛中原位析出该金属并以纳米颗粒的形式"镶嵌"在钙钛矿表面形成"纳米金属–钙钛矿"复合结构。该方法制备的材料具有性能高、抗积碳能力强、可再生性好等优点。从钙钛矿氧化物本体的选择、A/B位掺杂、缺陷调整、以及拓扑离子交换、相变诱发等方面,总结了近年来关于构建纳米(析出金属颗粒)微米(钙钛矿氧化物母体)异质结构(统称纳微异构)钙钛矿氧化物纳米纤维复合电极的研究。此外,总结了具有纳米纤维状形貌的钙钛矿氧化物电极及其结构对于SOFC性能、稳定性的影响,最后提出了该类纳微异构材料的优势、不足和展望。