生物质氮掺杂多孔炭的制备及电化学性能研究

利用造纸废料生物质衍生物木质素磺酸钠作为碳源,邻苯二胺为氮源,经低温预处理后活化制备了氮掺杂多孔炭(NPC)。采用XRD、XPS和低温N_2脱/吸附技术对其结构、比表面积和孔径分布进行了分析。通过研究投料比、活化温度对材料电化学性能的影响可知,当木质素磺酸钠与邻苯二胺的质量比为5∶3,焙烧温度为750℃时,获得的氮掺杂多孔炭(NPC-750)具有最佳的电化学性能。在电流密度为1 A/g时,NPC-750的比电容为226 F/g,电流密度升高到20 A/g时,比电容仍有178 F/g,表明该电极具有较好的倍率性能(78.8%)。另外,在充放电流密度为10 A/g下循环1000次后,其容量保持率高达98.8%。     

银耳菌糠衍生的三维多级孔炭及其电化学应用性能

食用菌菌糠富含疏松多孔的木质纤维基质和菌丝残体蛋白,将其用于高性能生物质基多孔炭的制备具有先天优势,亦能产生可观的生态和经济效益。本文以银耳菌糠为原料,利用NaOH/尿素（质量比为7∶12）水溶液体系进行冻融预处理后,经高温热解炭化制备获得高氮掺杂量（7.78%）的三维（3D）多级孔炭材料。孔结构分析结果显示样品BC-5-800的比表面积可达1568m²/g,孔容为1.53cm³/g且中孔率高达83%。以BC-5-800为工作电极,在三电极测试体系中,当电流密度为0.5A/g时,测得的比电容为278F/g,且在10A/g下仍能保持230F/g的比电容;在两电极装置中,当功率密度高达6990W/kg时,能量密度达到5.83Wh/kg,且经10000次循环充放电后的电容保持率为87%,呈现出优异的循环稳定性。本研究为食用菌菌糠的高值化回收再利用提供了新思路。     

一种独特玫瑰花形貌N掺杂的CNTs/MoS2材料的制备及电化学性能探究

用简单的水热反应合成一种形貌独特的玫瑰花状的N-CNTs/MoS2纳米复合材料.通过一系列的表征手段和化学工作站分析该材料的组成和结构并得出其电化学性能.结果表明:该材料作为电极材料时,在电流密度为1 A/g时,比电容为642 F/g;在电流密度为10 A/g时,比电容为280 F/g,且在5000次循环之后比电容仍能保持在85.8％,而MoS2材料在同等条件下仅有56.2％的电容保持率,因此N-CNTs/MoS2纳米复合材料具有优良的电化学性能.     

氢氧化镍/活性碳纤维复合电极材料制备及性能研究

采用六水合硝酸镍为镍源,通过一步水热法制备了Ni(OH)_2/活性碳纤维(ACF)复合材料,并对材料的结构和电化学性能进行研究。结果表明:Ni(OH)_2主要以纳米片结构生长在ACF表面,当金属离子Ni~(2+)浓度为10 mmol/L时,纳米片在ACF表面形貌规整、分散均匀,厚度约为20 nm,且纳米片之间具有丰富的孔隙结构;复合材料其相对ACF(1043 m~2/g)具有更高的比表面积,达到了1352 m~2/g;电化学性能测试表明:复合材料在电流密度0.5 A/g时的比电容高达905 F/g,在电流密度5 A/g时的比电容仍有630 F/g,通过循环充放电1000次,其比电容保持率仍有85.7%,表明复合材料具有较好的倍率性和循环稳定性。     

Al掺杂NiCo2S4电极材料的制备及其电化学性能

元素掺杂可以调节电极材料的电子结构，提高材料的电化学活性。以导电碳布为基底，氯化镍、氯化钴为原料，硝酸铝为铝源，通过两步水热法成功在碳布（CC）上生长铝掺杂的NiCo2S4复合电极材料（CC@Al-NiCo2S4）。扫描电子显微镜显示CC@Al-NiCo2S4具有中空纳米管结构，该结构可以提供大量反应活性位点；X射线光电子能谱表征得知Al主要以Al3+的形式存在于CC@NiCo2S4中，可以提高CC@NiCo2S4的导电性。电化学性能测试结果表明，当电流密度为1 A/g时，原始CC@NiCo2S4电极的比电容为844.5 F/g，Al掺杂CC@NiCo2S4的比电容为1515.8 F/g；且在6 A/g的电流密度下经过10000次循环后，CC@Al-NiCo2S4的电容保持率高达87.8%，表明Al掺杂能够显著地提高CC@NiCo2S4的比电容和循环稳定性。     

水热组装合成石墨烯/聚苯胺/石墨烯复合电极材料的研究

通过在氧化石墨烯表面原位聚合苯胺制备聚苯胺阵列/石墨烯复合物,再将一定量的石墨烯加入到复合物分散液中,经水热反应制备了石墨烯/聚苯胺/石墨烯复合材料。利用SEM和FT-IR对其形貌和结构进行了表征,讨论了投料比、水热温度及水热时间对材料电化学性能的影响。结果表明,质量比PGO∶GO(后加的)=15∶1,180℃下水热反应4h,所得样品用作超级电容器电极时,表现出优异的电化学性能,当电流密度为1A/g时,其比电容为553F/g;且在电流密度为20A/g,1000次恒电流充放电后,其比电容保持率高达94.2%。     

硼/氮共掺杂多孔碳纳米片的制备及其电化学性能

以煤系腐殖酸铵为前体,硼酸为多功能助剂,在700℃和800℃下一步炭化成功制备了B/N共掺杂多孔碳纳米片,并考察了其用作超级电容器电极材料的电化学性能。结果表明,该B/N共掺杂多孔碳纳米片具有发达的孔结构和较高的中孔率（36.15%和40.84%）,富含氮（6.04%和6.01%）、硼（3.97%和4.18%）、氧（17.01%和16.87%）等杂原子,赋予相应电极材料较好的导电性、良好的润湿性和快速的离子扩散性能。BNHC-700和BNHC-800在0.05A/g电流密度下的比电容分别为114F/g和118F/g,后者还具有优异的倍率性能（5A/g下的比电容保持率高达75.21%）。BNHC-700和BNHC-800的循环稳定性良好,在2.5A/g电流密度下10000次恒流充放电后的比电容保持率分别高达99.84%和98.57%。     

基于“蛋盒”结构高电化学性能活性炭的制备

与陆生植物不同，海藻中通常含有大量的海藻酸和海藻酸盐，其中海藻酸盐主要以海藻酸钙、海藻酸镁等形式存在于细胞壁中。本文利用海带中海藻酸钙的“蛋盒”式结构，对海带炭化产物进行盐酸酸洗处理，除去海藻酸钙中的钙离子，形成“蛋盒”式初始孔结构，然后采用KOH活化法制备海带基活性炭，研究海带基活性炭的孔结构特性以及电化学性能。实验结果表明：基于“蛋盒”结构制备的海带基活性炭拥有丰富的孔隙结构，其比表面积高达3027m²/g，其中73.3%由中孔比表面积提供，且中孔孔径分布比较集中，几乎全部分布在2～10nm。海带基活性炭在碱性电解液中展现出优秀的电化学性能，当电流密度为0.1A/g时，其比电容高达366F/g，即使在电流密度为10A/g的条件下，活性炭比电容仍然高达329F/g，显示出良好的比电容性能和倍率性能。     

片状与颗粒状CoMn2O4电极材料的制备及电化学性能

分别以纯水、50%(体积分数,下同)纯水与50%乙醇混合溶液、乙醇为溶剂制备了CoMn_2O_4纳米电极材料,研究了溶剂对CoMn_2O_4材料形貌、微观结构及电化学性能的影响。结果表明:采用纯水为溶剂制备的CoMn_2O_4材料具有片状结构,在电流密度为1 A/g时,比电容为446 F/g,在电流密度为5 A/g条件下,1 000次充放电循环后电容保持率为77%;50%纯水加50%乙醇为溶剂制备的CoMn_2O_4材料具有颗粒与片状混合结构,在电流密度为1 A/g时,比电容为684 F/g,在电流密度为5 A/g条件下,1 000次充放电循环后电容保持率为81%;采用乙醇为溶剂制备CoMn_2O_4材料具有颗粒状多孔结构,在电流密度1 A/g条件下,比电容为850 F/g,在电流密度为5 A/g条件下,1 000次充放电循环后电容保持率达86%,乙醇为溶剂制备的颗粒状多孔的CoMn_2O_4材料表现出更为优异的超电容性能。     

WO_3/FeOOH的制备与电化学性能研究

采用水热法制备一维WO_3微米棒,并以其为模板利用Fe~(3+)水解成功制备出具有三维结构的WO_3/FeOOH复合材料。利用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、电化学测试等手段对材料的结构、组成以及电化学性能进行了表征。结果表明,WO_3/FeOOH复合材料作为超级电容器材料具有优异的电化学性能。电流密度为0. 5 A/g时,比容量高达296. 7 F/g;电流密度为10 A/g时,比容量为171. 7 F/g。并且在电流密度为10 A/g时循环1 000次后,其比容量保持率为92. 3%。     

木质素基活性炭氮掺杂改性及其电化学性能

以磷酸法木质素基活性炭为原料, 三聚氰胺为氮源、KOH为活化剂, 采用同步掺杂方式制备了氮掺杂活性炭(NAC)。通过BET、XRD、拉曼光谱和XPS表征手段测试了改性后活性炭的结构及其组分, 并通过电化学表征手段, 测试了其作为超级电容器电极材料在几种不同性质电解液中的性能, 初步探究了电解液对电极材料电化学性能的影响机制。实验结果表明: 改性后的活性炭具有丰富的孔结构, 比表面积达到2 332 m²/g, 微孔孔容为1.37 cm³/g, 中孔孔容为0.74 cm³/g, 平均孔径为2.79 nm, 含氮元素7.5%, 其中类石墨型氮(N-Q)结构达到34.6%。丰富的孔结构和氮含量大幅提升了活性炭的电化学性能, 其在水系电解液中展现出了高比电容, 在1 A/g的电流密度下比电容最高可达424 F/g; 在有机系电解液中, 尽管其在1 A/g的电流密度下比电容最高仅为87 F/g, 由于其工作电压窗口更宽(0~2.5 V), 因此具备了更高的能量密度。对结果进行分析, 发现: 活性炭电极材料在水系电解液中的性能主要受电解液水合离子半径影响, 而在有机系电解液中的性能主要受电解液黏度的影响。     

针状焦基电容器碳质电极材料的制备及电化学性能研究

以煤系针状焦生焦为原料，KOH为活化剂，制备了用于超级电容器电极材料的活性炭。以3 mol/L KOH为电解液，用三电极电化学系统测试了活性炭的电化学性质；考察了活化剂用量对活性炭电化学性质的影响。研究结果表明：活化过程中，随着碱含量的增加，活性炭的电化学性能逐渐提高。当碳碱比为1∶3时，活性炭的比表面积达到2572.7 m²/g；电流密度为1 A/g时，其质量比电容达到316 F/g。循环5000圈之后，比电容保持在95.7%，库仑效率保持在97.0%。采用两电极系统，进一步考察了活性炭的电化学性能，以1 mol/L Na₂SO₄为电解液，电压窗口拓宽至1.8 V，循环伏安曲线同样展现出良好的矩形，能量密度和功率密度分别为20.8 W·h/kg和230 W/kg。     

一步电沉积法制备硫化镍/泡沫镍材料及其赝电容性能研究

通过一步电化学沉积法在泡沫镍(Ni foam，NF)集流体上制备了3D硫化镍(Ni₃S₂)材料，利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)等对所制备材料的物化结构和形貌进行了表征，并采用循环伏安法(CV)、恒流充放电法(GCD)研究了其作为超级电容器电极的电化学性能。测试结果表明，制备的Ni₃S₂/NF-10材料具有相互连接的3D结构，表现出优异的赝电容性能。在1 A/g电流密度下，比电容高达2850 F/g。将电流密度提高到10 A/g，该材料比电容仍能达到1972 F/g，说明其具有优异的倍率性能。测试结果表明所制备的Ni₃S₂材料有望应用于电化学储能领域。     

CoO改性炭电极电化学电容器研究

以普通活性炭为基材,用Co(NO_3)_2溶液浸渍和高温热解法制备改性炭材料。采用循环伏安、恒流充放电、漏电流测试等电化学方法研究了由改性炭电极构成的电化学电容器的性能。结果显示虽然改性炭的比表面积比原炭有所下降,但是比电容却显著增加,从130.1F/g增加到198.8 F/g,提高了52.8%;其相应的体积比电容高达136.9 F/cm~3。     

聚合物功能性填料豆秸基活性炭的制备及导电性能研究

为了增强橡胶制品的耐热性或者一般高分子聚合物的导电性,活性炭作为一种功能性填料被用于相关材料的成型加工中。本文采用豆秸活化,并在高温下炭化制备了高分子材料的填料—活性炭。并且通过多种测试手段分析其电化学性能。本文主要研究了采用KOH直接活化豆秸粉的方法,并通过700℃高温碳化获得高比表面积豆秸基活性炭。通过改变原料与KOH的混合比例,得到不同的产品。通过电化学性能测试、氮气吸附测试、电镜分析等对所得到的碳材料进一步表征。结果显示,采用改变KOH的比例制得的不同碳材料都含有丰富的微孔及一定量的介孔和大孔。其中DFC-1:1.5样品的总比表面积达到1269 m2/g,微孔率达93.8%。将所制备的碳材料制备成电极材料,在浓度为30%氢氧化钾电解液中进行电化学性能测试。测试表明,活性炭表现出良好的超电容特性。其中DFC-1:1.5电化学性能较好,在电流密度0.1 A/g下,其电容值达到255.1F/g,在电流密度增加到5A/g时其比电容依然可达160.7 F/g。通过三电极交流阻抗测试,碳材料的内阻非常小,说明导电性能良好。     

环糊精基活性炭的制备及其电化学性能

以环糊精为原料,采取先炭化后活化的方式,制备了具有高比表面积和丰富孔道结构的活性炭材料。本文通过改变KOH与环糊精炭化样品之间的碱炭比,研究了KOH用量对环糊精基活性炭结构及其电化学性能影响。在活化时间、活化温度等因素不变的情况下,活性炭的比表面积、总孔容及比电容随着碱炭比的提高,均呈现先增大后减小的趋势。当碱炭比为3时,活性炭的比表面积为1672m²/g,总孔容为0.75cm³/g,具有最佳的电容性能,在1A/g电流密度下比电容可达165F/g,优于同等条件下的商业炭21KSN（145F/g）,50000次循环后的比电容保持率为98.7%。     

氮掺杂石墨烯/碳纳米管/无定形炭复合材料制备及其电化学性能

碳基复合材料被认为是超级电容器广泛应用最有前景的电极材料之一。本文使用氧化石墨烯（GO）、硝酸钴［Co(NO₃)₂］、三聚氰胺为原料,利用钴对高温下热解碳源的催化作用,制备得到了氮掺杂石墨烯/碳纳米管/无定形炭（NC）复合材料,并测试了其电化学性能。探究了金属和三聚氰胺添加量对碳基复合材料结构和性能的影响,研究发现,在添加量分别为0.02mmol和0.3g时,制得的样品具有大比表面积（380.5m²/g）和高掺氮质量分数（6.29%）,并在三电极系统中体现出优异的电化学性能,电流密度为0.5A/g时样品的比电容为137.1F/g,5A/g时比电容为113.5F/g,保持率为88.5%,具有优异的倍率性能,在循环5000圈后样品的容量保持率为104%,具有良好的循环稳定性,这归因于三维结构可以加快充放电过程中的离子转移和氮掺杂可提高材料润湿性和贡献部分赝电容,为超级电容器电极材料的制备提供了理论借鉴。     

基于低共熔溶剂体系的氮掺杂超级电容炭

以杉木屑为原料,氯化锌和尿素为低共熔溶剂,炭活化后制备了氮掺杂活性炭,采用正交实验设计考察了浸渍比、活化温度和活化时间对活性炭电化学性能的影响。采用比表面积（BET）、X射线光电子能谱（XPS）、循环伏安、恒流充放电等表征手段研究了材料的孔隙结构和表面化学元素及电化学性能。研究结果表明：最佳工艺条件是浸渍比为4,活化温度为750℃,保温时间为3h。对活性炭的孔隙结构进行分析,可以发现低共熔溶剂活化后的活性炭有利于微孔的形成且比表面积可达到797.82m²/g,氮含量为11.55%,其中氮元素化合态主要表现为吡啶型N、吡咯型N和石墨型N。在6mol/L的KOH电解液中,当电流密度1A/g时,可达233.85F/g的比电容,当电流密度增加到20A/g时,比电容依然能够维持在159.6F/g。     

热解Ni/Co-ZIF-8制备碳纳米管桥连多孔碳及其在超级电容器中的应用

金属-有机骨架(MOFs)衍生碳材料具有丰富的孔道结构和超高的比表面积,在超级电容器等储能领域展现出巨大潜力。以环保型ZnO纳米球为模板,通过水热法制备核壳结构ZnO@Ni/Co-ZIF-8前体。将其在四种温度(700、800、900、950℃)下热解,获得不同形貌的Ni、Co及N掺杂的MOFs衍生碳材料Ni/Co-CN,并探究了煅烧温度对其储能性能的影响。结果表明,随着煅烧温度升高,Ni/Co-CN逐渐由多孔碳变为碳纳米管桥连多孔碳结构。当热解温度为900℃时,Ni/Co-CN-900的比电容最大。在1 mol/L的KOH电解液中对其进行循环伏安测试,曲线对称性良好,表明其具有优异的电化学可逆性。通过计算该过程电荷存储的电容贡献和扩散贡献占比可知,Ni/Co-CN的储能主要来自多孔碳的双电层吸附,少量来自N掺杂导致的法拉第反应。在0.5 A/g的电流密度下,Ni/Co-CN-900的比电容高达273.5 F/g。在10.0 A/g的电流密度下进行5000次恒流充放电后,其比电容保持率高达93.8%,展现出良好的电化学性能。