氮/磷双掺杂聚吡咯基多孔碳的制备和电容特性

以聚吡咯为碳源,通过一步碳化-活化法制备了氮/磷双掺杂分级孔结构的多孔碳。在6mol/L KOH和1mol/L Na2SO4电解液中研究了所制备多孔碳的电化学电容性能。研究表明,活化后的碳材料A-Z0比表面积高达1 433m~2/g,总孔体积为0.96cm~3/g,氮和磷元素的含量分别为1.78%和0.24%,证明A-Z0为氮/磷双掺杂的高比表面积的多孔碳。由于高的比表面积、分级孔道结构以及氮/磷官能团的协同作用,A-Z0材料表现出较为优异的电化学特性。在电流密度为0.5和30A/g时,其比电容分别达到209.3和176F/g,显示出高的比电容和倍率特性。此外,该材料也显示出优异的循环稳定性(4A/g下循环10 000圈后电容保持率为98%)。在中性电解液中,A-Z0组装成的对称两电极电容器呈现出高的能量密度(13.3 Wh/kg),表明该材料在超级电容器等领域具有潜在应用前景。     

绿色高效制备电化学性能优异的多孔石墨烯电极材料

电极材料的性能决定超级电容器的储能特性,因此研究优异电极材料的制备方法是提高其储能特性的重要前提。多孔石墨烯(Porous graphene)作为新型的碳材料具有比表面积大、电导率高等优点,是一种理想的双电层电容器电极材料。本工作制备的多孔石墨烯材料微孔和中孔都很发达,孔径分布更为合理,因此其比表面积相较于原始的石墨烯有了很大的提高。经检测该材料的比表面积为1 417.65 m²·g-1,并且能够提供较高的电化学双电层电容,经测试由该材料组装成的扣式超级电容具有31.7 F·g-1的比容量且具有优良的导电特性。此外,在电流密度1 A·g-1下循环10 000次后材料比电容保持率为78%。这些电化学测试结果表明本研究制备的多孔石墨烯在超级电容器的能量存储方面具有较好的应用前景。     

自生模板法制备多孔炭材料及其超级电容器性能

以柠檬酸锌为前体,利用碳化过程中产生的ZnO作为模板,制备了具有高比表面积和丰富孔道结构的多孔炭材料,系统研究了碳化温度对所得材料比表面积、孔体积及超级电容器性能的影响。结果表明:随着温度的升高,比表面积增大,孔容增大,多孔炭材料的电容性能也相应提高,在碳化温度为1273K时,所得炭材料(Zn C1273)的比表面积高达1763m2/g,孔容为3. 08cm3/g。利用1. 0mol/L四乙基四氟硼酸铵的乙腈溶液为电解质,所得炭材料作为电极应用于超级电容器,在0. 5～20A/g高电流密度下的容量保持率为93. 2%。     

酒糟纤维素碳气凝胶的制备及在超级电容器中的 应用

电极材料是决定超级电容器性能的主要因素,因此,合成具备特定形貌、组成以及性能优异的电极材料是构建高性能超级电容器的关键。从酒糟中提取植物纤维素,再通过冷冻干燥和热碳化处理,制备具有乱层石墨结构的纤维素碳气凝胶功能材料,并将其应用于超级电容器。研究结果表明,最优碳化温度700 ℃下制备的纤维素碳气凝胶作为电极材料,在浓度为6 mol/L的 KOH溶液和1 A/g的电流密度下,其比电容为183.5 F/g;而且该电极材料在20 A/g高电流密度下,仍保持90.0 F/g的比电容,展现出优异的倍率性能。交流阻抗拟合结果表明,CA-700组装的超级电容器界面传质电阻和扩散电阻分别为0.2829 Ω和5.7210 Ω;CA-700展现出较低的传质、扩散阻力和优异的电化学储能特性。     

高比表面积生物质多孔碳的制备及其电化学性能

以玉米秸秆为碳源(CS),经Na₂CO₃溶液浸泡预处理后，采用KOH活化，制备了多孔生物质碳材料(CS-ACs)。通过形貌、结构表征及电化学性能测试，发现生物质碳材料CS-AC-3具备多级孔道结构，比表面积可达3299m²/g。三电极体系下，该材料在6mol/L NaOH和0.5mol/L Na₂SO₄电解液中，1A/g电流密度下，比电容分别为272F/g、220F/g,循环5000圈后(5A/g),其容量保持率为89%和80%;二电极体系中，以该材料组装的CS-AC-3//CS-AC-3对称电容器具有1.4V的宽电压窗口和较好的电容特性。作为一种可再生廉价碳材料，CS-ACs在实际应用中有好的应用前景。     

胡萝卜基分级多孔炭材料的制备及电化学性能研究

以胡萝卜为炭源,采用KOH对胡萝卜炭进行活化,制备出具有高比电容的分级多孔炭材料。利用SEM、X射线衍射分析、低温氮气吸脱附等手段对制备的材料进行形貌及结构分析,结果表明,不同碱炭比会造成炭材料不同程度的结构变化,在碱炭比为2∶1时,所制备的炭材料孔隙结构分布最佳,比表面积高达3 111.45 m²/g,总孔容为1.51 m³/g。循环伏安(CV)、恒流充放电(GCD)等电化学测试表明,在最佳活化条件下制备的胡萝卜基多孔炭材料制成的电极在6 mol/L KOH电解液、0.5 A/g电流密度条件下比电容为486 F/g,表明材料具有良好的电容性能;当电流密度提升20倍时,电容量保留为原来的86%,表明材料具有良好的倍率性能;10 A/g电流密度下经8 000次循环后,电容保持率为97.3%,表明材料具有良好的稳定性。胡萝卜基多孔炭材料制成的电极片所组装的水系超级电容器器件能量密度可达14.67 Wh/kg,功率密度为1 000 W/kg。     

生物质衍生碳/MnO2复合材料在超级电容器中的应用进展

超级电容器具有充放电速度快、能量密度高、循环稳定性好等优点，而电极材料决定超级电容器的电化学性能。可再生生物质经过高温炭化可制备不同微观结构的碳材料，然而，这些碳材料存在比容量低的缺点；MnO₂具有高理论比电容，缺点是循环稳定差。生物质衍生碳与MnO₂复合可以实现两者优势互补。首先介绍了生物质衍生碳/MnO₂复合材料的制备方法，包括化学法、水热法和电沉积法。然后，按照不同生物质衍生碳的微观结构进行分类，综述了多孔碳/MnO₂、碳球/MnO₂、碳纤维管/MnO₂、碳纳米片/MnO₂和三维碳/MnO₂复合材料的制备及在超级电容器中的应用性能。最后，总结了综合性能最优的生物质衍生碳/MnO₂复合材料，并针对该领域存在的问题提出了其未来发展方向。     

多孔纳米碳纤维的制备及其在超级电容器中的应用研究

利用溶胶凝胶燃烧法制备了碱金属氧化物掺杂的铜催化剂,并使用这种催化剂在不同的温度、掺杂比例下通过热CVD法合成出了具有多孔分叉结构的纳米碳纤维.通过TEM、HRTEM、BET和激光拉曼光谱等手段对产物进行表征,显示这种纳米碳纤维的比表面积可高达1162m2/g,远高于普通的碳电极材料,并且具有非常丰富的中孔结构,克服了常规碳纳米纤维在应用中表现出的相对有效利用面积不大,比电容不高等缺陷,具备做电极材料的潜力.在将其应用于超级电容器电极材料后,利用二次电池测试仪及电化学工作站对其进行了循环伏安曲线及恒流充放电曲线的测试,结果显示这种纳米碳纤维具有良好的电化学电容行为,电极的可逆性良好,并且比电容值高达203F/g.这些发现将有助于碳纳米材料可控制备的研究,并且提供了一种有一定应用潜力的超级电容器电极材料.     

聚酰亚胺基氮掺杂碳电极材料的制备及电化学性能研究

由于氮掺杂多孔碳材料不仅保留原有材料的高比表面积、高孔隙率和发达的孔道结构等优势,还兼具杂原子良好的润湿性能和导电性,被广泛应用于超级电容器电极材料的研究。以均苯四甲酸二酐(PMDA)和4,4′-二氨基二苯醚(ODA)为原料,通过水热法,在高温高压的条件下,分子链进行“自上而下”的折叠,形成三维纳米微球结构。借助对纳米球的高温热解,使氮元素保留在碳材料中,得到含有大量微孔和介孔结构的掺杂氮碳微球。当碳化温度达到800℃时,PI碳球具有709.39m²/g的高比表面积和良好的氮掺杂率,很大程度上提高了此类电极材料的比电容和润湿性能。电化学测试表明,当扫描速率为0.5A/g时,电极材料能够达到253.6F/g的比电容,且在电流密度达到10A/g时,电极材料的电容保持率为59.6%。同时,在循环10000次后,比电容保持率出现涨幅达到105%,具有优异的循环稳定性。综上,通过自组装和氮掺杂的有效结合,制备的3D氮掺杂多孔碳微球具有理想的电化学性能,为制备超级电容器电极材料提供了一种可供参考的工艺。     

氯金酸辅助制备核壳结构多孔碳球及其电化学性能

为提高多孔碳球作为超级电容器电极材料在电解液中的离子迁移速率，通过水热法设计制备了以碳球为外壳，金纳米颗粒为核心的核壳结构复合材料(CS-Au)。之后通过KOH活化，制备的样品(PCS-Au)比表面积可达到962.48m²/g。结果表明：在0.5A/g的电流密度下，PCS-Au表现出225F/g的比容量，相较于纯多孔碳球(PCS)比容量提高了28.5%。使用螺旋季铵四氟硼酸盐和乙腈混合溶液(CF4301)作为电解液，组装成纽扣式对称型超级电容器后，PCS-Au在功率密度为1000W/kg的情况下能量密度为27.63Wh/kg。并且在1A/g电流密度下，经过20000圈循环稳定性测试后容量保持率为104.76%,性能无衰减，展现出很好的循环稳定性。精心设计的核壳结构与较大的比表面积，优异的导电性及丰富的孔结构降低了材料电阻并可以容纳更多的电解液，导致Au纳米颗粒@多孔碳球是一种极具应用价值的超级电容器电极材料。     

组氨酸功能化碳点/石墨烯气凝胶的制备及超级电容器性能

通过一步水热法制备组氨酸功能化碳点/石墨烯气凝胶(His-CDs/GA)。该材料具有独特的三维多孔结构、丰富的含氮和含氧官能团, 有利于电解液离子的快速扩散和提供更多的活性位点。当GO与His-CDs的质量比为2 : 1时, His-CDs/GA-2在1 A·g ^-1电流密度下比电容达到304 F·g ^{- 1}, 比GA(172 F·g ^-1)提高了76.7%; 当电流密度从1 A·g ^-1增加到50 A·g ^-1, 其比电容保持率为71.4%; 在电流密度10 A·g ^-1下, 循环充放电30000次后, 比电容仍保留93.5%。由His-CDs/GA组装的对称超级电容器展现出高能量密度(在功率密度为250 W/kg时, 能量密度达到10.14 Wh/kg)和良好的循环性能(在5 A·g ^-1下循环充放电20000次后, 比电容保持率为88.4%)。结果表明, His-CDs/GA是一种应用前景广阔的超级电容器电极材料。     

Nitrogen-oxygen co-doped corrugation-like porous carbon for high performance supercapacitor

Nitrogen-oxygen co-doped corrugation-like porous carbon (NO-PC) has been developed by direct pyrolysis of formaldehyde-melamine polymer containing manganese nitrate. The melamine, formaldehyde and manganese nitrate act as nitrogen, oxygen source and pore-foaming agent, respectively. NO-PC exhibits favorable porous architecture for efficient ion transfer and moderate heteroatom doping for additional pseudocapacitance, which synergistically enhances the electrochemical performance of the NO-PC-based supercapacitor. The electrode delivers specific capacitance of 240 F/g at 0.3 A/g when tested in 6 mol/L KOH electrolyte, good rate capability (capacitance retention of 83.3% at 5 A/g) as well as stable cycling performance (capacitance remains ~96% after 10000 cycles at 3 A/g). The facile synthesis with unique architecture and chemistry modification offers a promising candidate for electrode material of energy storage devices.     

基于结构调节碳材料的掺氮种类和含量及其超级电容器储能应用

碳材料是极具潜力的超级电容器电极材料, 但是其容量较低。异质原子掺杂, 尤其是氮掺杂, 是大幅度提高碳材料电化学性能的有效方法。但是在碳材料中实现高含量的活性氮掺杂仍极具挑战。本研究通过Si-O-Si网络和氧化铝之间的相互作用成功调节碳材料的掺氮种类及其含量。除此之外, 通过调节前驱体组成, 碳材料的结构可以从珊瑚状转变为三维结构。在反应中, 氧化物中的氧原子可以和碳材料中氮原子成键, 氮原子不易逃离, 从而实现高含量氮掺杂(5.29at%@1000 ℃)。另一方面, 相互作用使碳材料孔体积增大(1.78 m³·g^-1)和孔径分布加宽(0.5~60 nm)。因此, 获得的富氮掺杂碳材料具有302 F·g^-1@1 A·g^-1的高容量和177 Fg^-1@120 A·g^-1的杰出倍率性能。此独特的固氮方法是一种有潜力的制备高性能超级电容器电极材料的策略。     

用于高性能超级电容器电极的栓皮栎基多孔活性炭的制备

本研究以空腔细胞组成的栓皮栎为原料, KOH为活化剂制备了具有多孔结构的栓皮栎软木基多孔活性炭。以此方法制得的活性炭呈薄片状外形, 最大比表面积达到2312 m ²/g, 具有特殊的微孔-介孔结构。在呈碱性的KOH三电极体系中, 0.1 A/g电流密度时比电容达296 F/g; 两电极体系中, 5 A/g时的比电容达到201 F/g, 循环5000次后电容保持率达99.5%。在呈中性的Na₂SO₄两电极体系中, 电流密度0.5 A/g (174 F/g)至50 A/g (140 F/g)时电容保持率达80.5%, 倍率性能良好, 能量密度高达19.62 Wh/kg。     

基于煤萃取物的类石墨状多孔炭的制备及其电容性能研究

以褐煤萃取物为炭前驱体, MgO为阻隔剂, KOH为活化剂, 在800℃惰性气氛下制备出类石墨状多孔炭材料。对该多孔炭材料进行了红外(FTIR)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和拉曼(Raman)表征。以活化前和活化后多孔炭为电极材料, 利用循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗对其进行了电化学电容性能评价和比较。结果表明: 活化后炭材料呈现多孔的薄膜状, 比表面积高达1396 m²/g, 而活化前炭材料比表面积仅为138.4 m²/g。当电流密度为1 A/g和4 A/g时, 活化后炭材料比电容分别为533 F/g和390 F/g; 而活化前炭材料对应的比电容为366 F/g和198 F/g。在电流密度为5 A/g下循环8000圈后, 活化前后炭材料的电容保持率分别为72.5%和89.6%。可见, 经过KOH活化后的炭材料比电容和电化学稳定性有了显著提高。该研究证明阻隔剂和活化剂的使用, 能够获得高度柔性的高电容性能的类石墨状多孔炭。     

MnO2/SMWCNT/PANI三元复合材料的合成及其电化学电容性能

用液相沉淀法制备了二氧化锰/酸化多壁碳纳米管(MnO₂/SMWCNT)和二氧化锰/酸化多壁碳纳米管/聚苯胺(MnO₂/SMWCNT/PANI)电极材料。通过循环伏安、恒电流充放电等方法测试了样品的电化学性能。结果表明, 当MnO₂:SMWCNT:PANI的质量比为1:1:0.4时,它的电化学性能最好, 在0.1 A/g电流密度下的比电容为318.6 F/g, 氧化电流为6.02 A/g, 循环100次后电流保持率保持在92.7%。     

磷酸根掺杂MnFe2O4及其赝电容特性

采用水热法先合成MnFe₂O₄(MFO), 然后通过与PH₃反应制备了磷酸根离子掺杂的MnFe₂O₄(PMFO), 以提高它的电化学性能。研究结果表明, 磷酸根掺杂不仅增大了MnFe₂O₄的比表面积, 也增加了材料的电导性。在1 A/g电流密度下, PMFO比容量为750 F/g, 与MFO相比, 比电容提高了近70%, 同时循环稳定性也得到了极大改善。以PMFO为正极、活性碳为负极的非对称超级电容器(ASCs), 在功率密度为2.7 kW/kg时, 能量密度达到168.8 Wh/kg。因此, PMFO是有极大应用前景的超级电容器电极材料。     

氮掺杂碗状空心碳微球的制备及其 在超级电容器中的应用

针对碳电极材料存在比电容小、能量密度低的问题,采用异质成核合成路径制备了新型的碗状空心碳微球,进一步以尿素为氮源,通过水热法制备了高性能氮掺杂碗状空心碳微球。采用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、能谱仪、傅立叶红外光谱仪和X射线光电子能谱分析仪对碗状空心碳微球和氮掺杂碗状空心碳微球的形貌及结构进行表征,并分析了氮掺杂对碗状空心碳微球的电化学性能。实验结果表明:氮掺杂对碗状空心碳微球的电化学性能有显著的改善,在1 A/g的电流密度下,氮掺杂碗状空心碳微球的比电容(235.5 F/g)远高于碗状空心碳微球的比电容(121.0 F/g),此外,氮掺杂碗状空心碳微球在3 A/g的电流密度下循环5 000次后,其比电容保持率为78.3%。     

同步氨化/碳化法制备MXene/C平面多孔复合电极

MXene是一种新型二维过渡金属碳/氮化物, 具有优异电化学性能的赝电容型超级电容器电极材料。本研究尝试用同步氨化/碳化制备MXene平面多孔电极。以滤纸为多孔平面模板, 通过浸渍-烘干的手段把MXene固定在滤纸的纤维上, 然后在氨气的气氛中热处理, 得到了MXene/C平面多孔复合电极。分析结果表明: MXene纳米片均匀包覆在由滤纸碳化形成的碳纤维上。当浸渍5次时, 在2 mV/s的扫速下测试, 制备出的复合电极的面积比电容达到403 mF/cm ²。在电流密度为10 mA/cm ²下进行恒流充放电循环测试2500次后, 比电容仍然与初始电容几乎相同, 表现出良好的倍率性能和循环稳定性。在不使用高分子粘合剂和金属集流体的情况下, 同步氨化/碳化法制备出的MXene/C平面多孔复合电极表现出优良的电化学性能。     

TiC@NiO核壳纳米结构的制备及电化学储能性能

以棉纤维为碳源和模板,采用生物模板法成功合成出直径50~200nm、长度几至十几微米的碳化钛纳米线,并通过化学浴沉积法在其表面均匀沉积氧化镍纳米片,所构建的TiC@NiO核壳纳米结构具有良好的超电容性能,制备成超级电容器后在1A/g电流密度下比电容量为560F/g,而类似条件下制备的NiO材料的比电容量仅为193.5F/g,并且TiC@NiO在20A/g电流密度下循环5000次后容量保持率达到83.6%,表现出了良好的循环稳定性。