废弃复材树脂高值化利用：超级电容器电极应用

近年来，废弃碳纤维复合材料数量急剧增加，对人类的生存环境造成了严重破坏。为了实现废弃复材中树脂的高值化利用，本研究采用一步碳化法制备了废弃树脂基碳材料，研究了碳化温度对碳材料结构与性能的影响，并将碳材料制备成超级电容器电极，研究电极的电化学性能。分别采用扫描电子显微镜(SEM)、比表面积测试仪、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼测试仪(Raman)、差示扫描量热仪(DSC)和热重分析仪(TGA)对碳材料的表面形貌、孔性能、化学组分、石墨化程度以及形成原理进行了分析。结果表明：当碳化温度为800℃时制备的碳材料具有分级多孔的结构，孔性能和石墨化程度达到最佳，所制备的超级电容器电极表现出优异的电化学性能，在1 A/g电流密度下比电容高达299 F/g,经10 000次充放电循环后，比电容仍高达296.6 F/g,循环稳定性优异。     

活化剂对氮掺杂多孔碳/硫复合正极材料电化学性能的影响

以葡萄糖为碳源、乙酰胺为氮源、氢氧化钾(KOH)为活化剂,通过水热碳化及烧结处理,制备了氮掺杂多孔碳材料,将其与硫进行复合得到多孔碳/硫复合正极材料,考察了不同质量活化剂对多孔碳材料比表面积、孔容孔径及多孔碳/硫复合正极材料电化学性能的影响。结果表明:多孔碳前驱体与活化剂质量比为1∶4时制备的多孔碳材料具有最大的比表面积和孔隙率,且该材料与硫复合得到的多孔碳/硫复合正极材料具有最优的电化学性能、较高的放电比容量和良好的循环性能。     

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。     

碳布/聚吡咯储能包装膜材料的制备及表征

目的以甲壳素纳米纤维、多壁碳纳米管、碳布、吡咯为原料,制备柔性超级电容器复合电极薄膜。方法先利用化学氧化法提高碳布的表面粗糙度,再通过真空抽滤在碳布表面附着甲壳素纳米纤维和多壁碳纳米管,以增加碳布的负载空间,最后通过原位聚合吡咯来增加复合薄膜的电容性能。同时制备氧化碳布/聚吡咯复合薄膜作为对照组。结果制成的氧化碳布/甲壳素纳米纤维/多壁碳纳米管/聚吡咯复合薄膜在扫描速率为5 mV/s时,质量比电容达到了307 F/g,是氧化碳布/聚吡咯质量比电容(175 F/g)的1.75倍;在电流密度为2 A/g时,经过2000次循环后电容保留率为72.3%,库仑效率为73.8%。结论制备的氧化碳布/甲壳素纳米纤维/多壁碳纳米管/聚吡咯薄膜具有较高的比电容和循环稳定性,可以作为超级电容器电极材料应用于物联网行业的有源储能包装。     

超薄MnOx修饰多孔碳纳米纤维及其电容脱盐

MnO₂具有较高的理论比电容而作为良好的电容器材料,但因其导电性和循环稳定性较差,从而限制其电化学应用。本研究以静电纺丝技术制备的多孔碳纳米纤维（PCNF）为载体,经KMnO₄浸泡后,高温退火获得超薄MnO_x层修饰的复合碳纳米纤维（APCNF-MnO_x）。通过接触角、SEM、TEM、电化学表征及电容脱盐测试对比分析了碳纤维多孔结构对MnO_x形貌及电化学性能的影响。电化学测试结果表明：APCNF-MnO_x电极的比电容是退火的MnO_x修饰无孔碳纳米纤维（ACNF-MnO_x）电极的4倍（20 mV/s）。以APCNF-MnO_x为电容器负极材料,成功制得电容器去离子器件,其电容脱盐量达到9.23 mg/g,比ACNF-MnO_x提高了29%。     

具有石墨碳骨架结构的硅碳负极材料的制备与电化学性能研究

硅碳材料作为锂离子电池负极材料具有广阔地发展前景。利用水热法和高温碳化法制备了蔗糖碳/硅复合材料(SC/Si),并在此基础上与石墨复合制备出具有石墨导电骨架结构的蔗糖碳/硅-石墨复合材料(SC/Si-Gr),并探究其作为锂离子电池负极材料电化学和电池性能。结果表明，蔗糖碳均匀包覆在纳米硅表面，形成的蔗糖碳/硅复合材料的电化学性能和电池性能随着蔗糖碳含量增加而提高。随着石墨的引入，构建的SC/Si-Gr三元复合材料的电化学性能得到进一步提升。当蔗糖：硅：石墨投料质量比为1∶1∶0.5时，形成的SC/Si-Gr(1∶1∶0.5)复合材料，在电流密度为0.1 A/g条件下，第三圈稳定之后的放电比容量为1 005.1 mAh/g;循环100圈之后放电比容量为819 mAh/g,充放电库伦效率保持在98%左右。在1 A/g大电流密度下，平均放电比容量为437.91 mAh/g。这归功于石墨的加入形成有效的导电骨架结构，提高了首次循环库伦效率，加速锂离子的传输速率，使蔗糖碳/硅-石墨复合材料呈现出良好的循环稳定性和充放电倍率性能。     

纳米纤维素修饰的碳纳米纤维制备及其疏水性研究

为拓展碳纳米纤维在环境清洁领域的应用，提高碳纳米纤维的水接触角，改善膜表面的疏水性能，获得疏水性较好的碳纳米纤维薄膜，利用静电纺丝法将纳米纤维素(CNFs)与碳纳米纤维前驱体复合，获得具有低表面能和良好疏水性能的纳米碳纤维/纳米纤维素复合纤维膜。通过对纳米纤维素含量进行调控，经预氧化和碳化处理后得到一系列具有规则三维空间网络结构的复合纤维膜，并探究不同纳米纤维素含量对复合纤维膜疏水性能的影响。结果表明：纳米纤维素修饰复合纤维膜随着碳化程度的提高其表面能呈现逐渐降低的趋势，其对水的接触角也逐渐增大，疏水效果得到较大幅度提升。随着纳米纤维素含量继续增加，复合纤维膜的水接触角呈上升趋势，未添加前接触角为36.13°,当纳米纤维素添加质量为20%时，水接触角最大为132.14°,提高了366%。     

甲壳素纳米纤维/碳纳米管复合凝胶膜的制备与性能EI北大核心CSCD

将甲壳素纳米纤维与碳纳米管在水性条件下混合,建立甲壳素纳米纤维均匀分散的碳纳米管混合体系;利用真空抽滤制备甲壳素纳米纤维/碳纳米管复合膜,通过20%氢氧化钠低温处理制备具有连续三维纳米网络结构的复合凝胶膜,并对比凝胶化前后样品微观结构、导电性能及电化学性能等。结果表明,凝胶化处理有助于在凝胶膜内部构建三维纳米导电网络,当甲壳素纳米纤维与碳纳米管的质量比为1∶1时,凝胶膜的导电率和质量比电容较复合膜提高了2倍;2000次循环测试后,凝胶膜的比电容量仍能保持为起始比电容量的92.5%,循环稳定性较好。     

甲壳素纳米纤维/碳纳米管复合凝胶膜的制备与性能

将甲壳素纳米纤维与碳纳米管在水性条件下混合,建立甲壳素纳米纤维均匀分散的碳纳米管混合体系;利用真空抽滤制备甲壳素纳米纤维/碳纳米管复合膜,通过20%氢氧化钠低温处理制备具有连续三维纳米网络结构的复合凝胶膜,并对比凝胶化前后样品微观结构、导电性能及电化学性能等。结果表明,凝胶化处理有助于在凝胶膜内部构建三维纳米导电网络,当甲壳素纳米纤维与碳纳米管的质量比为1∶1时,凝胶膜的导电率和质量比电容较复合膜提高了2倍;2000次循环测试后,凝胶膜的比电容量仍能保持为起始比电容量的92.5%,循环稳定性较好。     

聚苯胺/VS_2纳米复合材料的制备及其在超级电容器上的应用研究

以苯胺为原料采用原位合成法制备了聚苯胺/二硫化钒(PANI/VS_2)纳米复合材料。运用X射线衍射(XRD)分析技术和电子扫描显微镜(SEM)研究PANI/VS_2纳米复合材料的结构特征,采用循环伏安法、恒电流充电/放电和交流阻抗技术手段对其电化学性能进行测试。得到的复合材料最大比电容可达到2077F/g(电流密度为1A/g),远大于PANI和VS_2单组分的比电容,在电流密度为5A/g时循环500次,比电容保持率为96%。     

碳包覆空心Fe3O4纳米粒子作为锂离子电池负极材料的电化学性能研究

以二茂铁为铁源,石油渣油为碳源,通过加压热解和空气氧化制备了碳包覆空心Fe3O4纳米粒子。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)以及高倍透射电镜(HRTEM)等测试方法对样品的形貌和结构进行表征。采用恒流充放电和交流阻抗方法测试碳包覆空心Fe3O4纳米粒子作为锂离子电池负极材料的电化学性能。在电流密度为0.2mA/cm2时,首次放电比容量高达1294.7mAh/g,30次循环之后其放电比容量为392.1mAh/g;电流密度为1mA/cm2时,首次放电比容量为216.3mAh/g,30次循环之后其放电比容量为113mAh/g。     

基于氧化石墨烯与豆渣的复合碳材料制备及性能表征

以氧化石墨烯(graphene oxide,GO)和豆渣为原料,通过溶剂热反应获得了石墨烯基三维网状复合碳材料,并进一步通过高温焙烧获得导电性良好的复合碳材料。通过场发射电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、元素分析仪、电化学分析仪对复合碳材料的形貌、物相、分子结构、元素组成和电化学性能进行了表征。结果表明,在GO中引入豆渣不仅可以在溶剂热和碳化过程中阻止石墨烯片层的重叠,还可以引入氮元素,该复合碳材料与纯GO或纯豆渣制备得到的碳材料相比表现出了更加优异的电化学性能。其中当GO与豆渣质量比为1∶2时,所得到的复合碳材料在1A/g的电流密度下比电容为201.9F/g,远高于纯石墨烯或纯豆渣所制备得到的碳材料比电容(分别为93和78F/g)。     

核壳结构Si/C复合负极材料的制备与储锂性能研究

以酚醛树脂包覆纳米硅颗粒后通过碳化处理,制备了具有核壳结构的Si/C复合负极材料,并研究了碳化温度和电极中活性物质含量对储锂性能的影响。透射电子显微镜分析结果表明,该复合材料由厚度为5~15nm的无定型碳壳包覆的硅颗粒组成。电化学测试表明,750℃碳化所得复合材料在活性材料∶粘结剂∶乙炔黑=1∶1∶1(质量比)时,初始放电容量为1836mAh/g(首次库仑效率84.8%),循环50次后仍可保持873mAh/g的可逆容量。此外,具有核壳结构的Si/C复合负极比纯硅负极表现出更好的循环稳定性,这可能是因为碳壳的存在缓解了硅的体积膨胀、改善硅的导电性,在一定程度上保证了Li+嵌入和脱出过程的稳定进行。     

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。     

PAN/MXene复合纤维电极制备及性能研究

采用单片层MXene与聚丙烯腈粉末(PAN)为原料制备纺丝液，经过湿法纺丝成型、高温碳化制备出PAN/MXene复合纤维电极；分析考察了MXene含量对纤维电极微观结构以及力学、电学、电化学等性能的影响规律。结果表明，当MXene含量为25%(质量分数)时，纤维电极的综合性能最佳，强度、电导率以及比电容可达到13.24 MPa、696.37 S/m和112.13 F/g, 1 000次循环后电容保持率为95.83%。     

玉米淀粉基碳微球的制备及电化学性能的研究

以玉米淀粉为原料,经过乙酸镍处理后在不同温度下碳化,再用KOH对碳化材料进行活化,得到玉米淀粉基碳微球,该材料可做成超级电容器。采用扫描电子显微镜(SEM)对实验样品形貌进行表征,并且进行了循环伏安、恒流充放电等电化学性能测试。SEM结果显示,原料玉米淀粉呈片状,而实验制得的玉米淀粉基碳微球具有良好的球形外貌,表面光滑平整。电化学性能结果显示,经900℃碳化并活化后的玉米淀粉基碳微球表现的电容特性最佳。在6mol/L KOH电解液中,200mV/s的扫描速度下,其循环伏安曲线仍能保持高度类矩形形状;在电流密度为1A/g恒流充放电下,其比容量高达116F/g,且经过500次充放电循环后,依然保持初始值的98%的比电容。结果表明,乙酸镍能促进淀粉球很好地形成球状的碳微球,且活化后的玉米淀粉基碳微球表面粗糙,产生了多孔结构,比表面积增大,电化学性能大大提高。     

硼酸铵改性碳纳米纤维负极材料制备及储钠性能研究

通过合理的合成路线与微观结构设计，开发具有高比容量和柔性的钠离子电池负极材料，是当前的难点。采用静电纺丝制备自支撑碳纳米纤维膜，利用不同浓度的硼酸铵溶液对纤维膜进行改性，研究了浸渍溶液浓度和热处理温度对碳纳米纤维膜相组成、微观形貌及储钠性能的影响。结果表明：低浓度硼酸铵溶液改性并未改变纤维膜三维相互交错的空间结构，但纤维膜表面粗糙程度增加，使改性后的碳纳米纤维缺陷和活性点位增多并减小了碳层间距。采用0.02mol/L硼酸铵溶液浸渍改性和600℃热处理后得到的碳纳米纤维膜作为钠离子电池自支撑负极时，可获得最优的储钠性能。在100mA/g电流密度下，该电池初始充比容量为354.7mAh/g,循环100周后电池的可逆充放电比容量为316.8mAh/g,表现出优异的储钠性能。     

α-Fe2O3/炭纳米纤维电极材料的制备及其电化学性能分析

采用电沉积技术将α-Fe₂O₃均匀负载在静电纺丝炭纳米纤维上，制备α-Fe₂O₃/炭纳米纤维复合材料。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)以及物理吸附对复合材料进行形貌和结构分析，并通过恒电流充放电、循环伏安、交流阻抗技术考察其作为超级电容器电极材料的电化学性能。结果表明：α-Fe₂O₃/炭纳米纤维(α-Fe₂O₃/CNF-3)复合材料相比单纯炭纳米纤维(CNF)有着更丰富的介孔结构，有利于离子和电子的低电阻传输。同时，α-Fe₂O₃/CNF-3复合电极材料结合了双电层电容和赝电容的优良性能，在电流密度为1A/g下，电解液为6mol/L KOH时，其比电容值可达330.1F/g,是炭纳米纤维电极的3.76倍，并且经过8000次循环后仍能保持91.45%,具有较好的稳定性。     

超级电容器MnO2/CRF复合电极材料的制备及性能的研究

以间苯二酚(R)和甲醛(F)为原料,碳酸钠(C)为催化剂,制备碳气凝胶(CRF),并以KMnO4和Mn(CH3COO)2·4H2O为原料,采用了化学沉淀法制备MnO2/CRF复合材料.用N2吸附、X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)对所制备的MnO2、CRF和MnO2/CRF复合材料进行了表征,结果表明碳气凝胶具有珍珠串式的无序多孔网络结构,所制备的MnO2为纳米级颗粒,复合材料为纳米级粉体.并对不同配比的MnO2/CRF复合材料的电化学性能进行了研究.循环伏安、恒流充放电实验表明了所制备的MnO2/CRF复合电极材料具有良好的可逆性和充放电性能.当MnO2含量为60%时,MnO2与碳气凝胶复合制成的新型电极材料具有226.3F/g的比电容,比碳气凝胶电极的比电容提高了1倍.此外,对复合电极的循环寿命进行了研究,表明复合电极具有良好的循环充放电性能.     

ZIF-8-PAN衍生多孔碳纳米纤维锌离子混合电容器

采用静电纺丝技术制备ZIF-8-PAN复合纳米纤维，经预氧化和高温碳化制得ZIF-8-PAN衍生多孔碳纳米纤维(ZIF-8-PANC);利用扫描电镜、比表面及孔径分析技术对ZIF-8-PANC的形貌和微结构进行表征，测试作为锌离子混合电容器(ZHS)电极材料的电化学性能。结果表明：ZIF-8-PANC结合碳纳米纤维的高导电性和ZIF-8衍生碳的丰富多孔结构，不仅导电性能良好，同时增大比表面积，得到分级多孔结构，ZIF-8-PANC可有效实现电子、离子的快速传输和锌离子的高容量储存；当电流密度为0.5 A·g^-1时，ZIF-8-PANC电极的比容量达到240 mAh·g^-1,循环稳定性优异。