氮/氧共掺杂多孔碳纳米带的可控制备及储能特性

采用模板聚合同步活化法可控制备了氮/氧共掺杂的多孔碳纳米带(PCNR)材料。通过SEM,TEM,FTIR,Raman,XRD,BET和XPS对PCNR的形貌和结构进行了表征,结果表明:PCNR呈三维连通的带状结构,碳纳米带表面呈多孔状;800℃活化制备的PCNR800样品比表面积为2342 m~2/g、氮含量为10.75%,氧含量为13.90%。PCNR800为电极活性物质组装的超级电容器,其具有优异的储能特性。在电流密度为1.0 A/g时,比电容为58.8 F/g;在功率密度为1.5 kW/kg时,能量密度为73.3 Wh/kg;5000次恒流充放电循环后,比电容为初始比电容的96.5%,库仑效率保持99%以上。     

蒙脱土基氮掺杂多孔碳@MnO_2@PANI三元复合材料的合成及其电化学电容性能研究

采用蒙脱土为基的新型氮掺杂多孔碳(NMC),通过超声分散法制备NMC@MnO_2复合材料,再与苯胺(ANI)原位聚合得到NMC@MnO_2@PANI复合材料。采用红外光谱、拉曼光谱、X射线衍射和扫描电镜表征复合材料的组成和形貌。复合材料在1mol/L Na_2SO_4电解液中,电流密度0.25A/g时,质量比电容为228.5F/g;1A/g电流密度下,800次循环充放电后,比电容保持率为86%;在1mol/L H_2SO_4酸性电解液中,电流密度0.5A/g时,质量比电容为588.0F/g,在1A/g电流密度下,经过800次循环充放电后,比电容保持率76%。结果表明:NMC@MnO_2@PANI复合材料在中性和酸性电解液中能够表现出较好的电化学电容性能。     

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%。     

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。     

掺N多孔碳/Fe_3O_4复合材料的制备与电容性能研究

以原位聚合法制备的煤基聚苯胺为C、N源,羰基铁粉为催化剂,高温催化裂解制得掺N量为0.256%(wt,质量分数,下同)的多孔碳/Fe,再通过液相氧化法或高温水汽法处理,均成功制备出掺N多孔碳/Fe_3O_4。扫描电镜、红外光谱、X射线衍射和电容性能测试表明,在煤/苯胺质量比为1∶1、煤基聚苯胺/羰基铁粉质量比为1∶1、热解温度为1000℃、热解时间为3h,并经液相化学氧化法处理制得的掺N多孔碳/Fe_3O_4复合材料的电容特性较好,在1A/g的电流密度下,单极比电容达到392.45F/g,比能量达到65.95Wh/kg,比功率达到546.96W/kg。掺入的N主要以叔芳胺的形式存在于多孔碳中,多孔碳与Fe_3O_4之间有较强的界面作用。液相化学氧化法制备的Fe_3O_4大多在多孔碳外或多孔碳的孔隙中沉积,分散性更好,表现出比高温水汽法更好的储能作用。     

氮/硫共掺杂对纤水镁石模板碳纳米管电化学性能的影响

以天然矿物纤水镁石为模板、蔗糖为碳源制备多孔碳纳米管, 并以硫脲为氮、硫源, 采用水热法制备氮/硫共掺杂的碳纳米管。结果表明, 掺杂碳纳米管继承了纤水镁石模板的柱状结构, 呈现中空管状, 增大了模板炭的比表面积和孔容。在6 mol·L^-1 KOH电解液中, 电流密度为1 A·g^-1时, 未掺杂碳纳米管的比电容为62.2 F·g^-1, 氮掺杂之后碳纳米管的比电容为97.0 F·g^-1, 氮/硫共掺杂的碳纳米管比电容为172.0 F·g^-1, 氮/硫共掺杂后碳纳米管的电化学性能比未掺杂的提高近3倍; 循环1000次电容保持率达89%, 说明掺/硫共掺杂碳纳米管具有良好的电化学性能。此外, 组装的对称型超级电容器同样展示了良好的电容性能。     

基于纸纤维/晶须状碳纳米管/活性炭三元无金属集流体复合纸电极的柔性超级电容器

以纸纤维(PF)为基体,晶须状碳纳米管(WCNT)和活性炭(AC)为功能添加物,采用真空抽滤法制成PF/WCNT/AC三元无金属集流体复合电极。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)光谱仪、拉曼(Raman)光谱仪对其进行表征和分析,采用两电极测试体系对组装的超级电容器性能进行测试。结果表明,与涂布法所得的铝箔集流体(Al/WCNT/AC)电极相比,由PF/WCNT/AC三元复合电极组装的超级电容器比电容大幅提高,并展现出良好的充放电性能。在1mV/s的扫描速率下比电容达325F/g,几乎是Al/WCNT/AC超级电容器(108.7F/g)的3倍。PF/WCNT/AC超级电容器在0.4A/g电流密度下的比电容为95F/g,在3.2A/g电流密度下的比能量与比功率分别为36.76 Wh/kg、5.52kW/kg。     

清江河虾头胸甲基富氮/氧分级多孔叠炭片的制备及电化学性能

以废弃的清江河虾头胸甲为原材料,采用简便的一步二氧化碳炭化活化处理工艺,使头胸甲中的部分氮/氧元素以原位掺杂的形式保留,同时以头胸甲叠层中均匀分布的碳酸钙作为原位模板,快速制得富氮/氧共掺杂分级多孔叠层炭片材料.用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、激光拉曼光谱仪和比表面积测定仪等对样品进行了表征.结果显示,富氮/氧共掺杂分级多孔叠层炭片具有相互贯通的"特大孔-大孔-介孔-微孔"多级孔道,并具有高的比表面积(1012.2 m2/g)和孔体积(0.975 cm3/g)、高的氮含量9.15％(质量分数)和氧含量26.0％(质量分数).基于这些独特的结构特征,头胸甲基叠层生物多孔炭展现出优异的电化学性能:在电流密度为0.5 A/g时,最高质量比电容高达380.2 F/g;当电流密度增加到10 A/g时,质量比电容仍有187.5 F/g,说明该电极具有较好的倍率性能.在10 A/g的充放电电流密度下循环5000次后,头胸甲基叠层生物多孔炭的容量保持率高达93.6％.优良的电容性能显示废弃的清江河虾头胸甲在超级电容器电极材料方面具有很好的应用前景.     

聚苯胺/碳纳米管复合材料的制备及其电容性能研究

通过在多壁碳纳米管(MWCNTs)表面原位电化学聚合聚苯胺(PANI)制备聚苯胺/碳纳米管(PANI/MWCNTs)结构复合材料。用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)对制备的聚合物形貌进行了表征。结果表明,制备的PANI/MWCNTs复合材料具有纤维状结构。采用循环伏安法(CV)和计时电流法(CP)表征该复合材料的电化学性能。通过调控了碳纳米管的管径和聚苯胺的厚度,研究其对复合材料比电容的影响规律。实验结果表明,在恒电流充放电的电流密度为0.5 mA/cm²条件下,碳纳米管的管径为50 nm,聚苯胺循环沉积CV圈数为5圈时复合材料的比电容最大,达到147.6 F/g。以上研究为制备出新型结构的聚苯胺/碳纳米管超电容材料提供了科学指导和理论依据。     

近球状钼酸镍/多壁碳纳米管复合材料的制备及其赝电容性能

以硝酸镍、钼酸钠和多壁碳纳米管为原料, 通过水热反应法制备了钼酸镍/多壁碳纳米管(NiMoO₄/MWCNTs)复合材料。采用扫描电子显微镜、X射线能谱和X射线衍射对材料组成和形貌进行表征。结果表明: MWCNTs 很好地包覆在球状NiMoO₄外表面, 且各元素均匀地分布在材料中。循环伏安和电化学阻抗实验证实MWCNTs显著增强了NiMoO₄的氧化还原信号和电荷转移动力学特性。电容测试实验进一步表明, 复合材料较NiMoO₄单一材料具有更高的比电容、倍率特性及循环稳定性, 且当MWCNT含量为40 mg时, 所得产物(NiMoO₄/MWCNTs-40)具有最佳的电化学性能。电流密度为2 A/g时, NiMoO₄/MWCNTs-40复合材料的比电容高达1071 F/g; 当电流密度增大到10 A/g时, 比电容仍能保持原来的66.10%。在10 A/g的电流密度下, 经过2500次循环充放电后, NiMoO₄/ MWCNTs-40复合材料的比电容保持率高达95.85%, 表明该材料具有出色的循环稳定性。     

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。     

杂原子掺杂三维石墨烯水凝胶的制备及电化学性能

采用水热法分别制备了氮、磷、硫等杂原子掺杂的三维石墨烯水凝胶电极材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、拉曼光谱仪、X射线衍射仪(XRD)和光电子能谱仪(XPS)对材料的微观结构进行了分析,并利用电化学方法对材料的电化学性能进行了研究。结果表明:氮、磷、硫等杂原子掺杂入石墨烯晶格,掺杂的石墨烯呈现三维多孔层状形貌。杂原子的掺杂均有利于提高石墨烯的电化学性能,其中以磷掺杂石墨烯电极材料的性能最佳,原子半径最大的P掺杂使石墨烯晶格畸变加剧,比表面积显著增大进而保证了电解质在材料中的快速嵌入和脱出。在1 mol/L H_2SO_4的电解液中,电流密度为1 mA/cm~2时,其比容量388 F/g,组装成对称双电极电池装置,其能量密度在1 A/g的电流密度下可达到25.2 Wh/kg。优异的电容性能主要源于杂原子掺杂所提供的法拉第赝电容。     

基于碳酸镁模板的氮掺杂多孔炭的制备及其电化学性能

以碳酸镁为模板、聚苯胺为炭源、聚乙二醇为粘接剂,通过简单的炭化过程制得氮掺杂多孔炭(C2)。以聚苯胺直接炭化物(C1)作为对比样。使用扫描电镜、透射电镜、N2吸脱附、热重、红外光谱、拉曼光谱、X射线衍射谱、X光电子能谱等手段对样品进行了表征。结果表明,多孔的C2样品比表面积为249.8 m~2/g,远比C1的(19.8 m~2/g)高。C1和C2中的氮原子含量(原子分数)接近,分别为5.48%和4.8%。较高的比表面积和一定的氮掺杂使C2具有良好的电化学电容行为。在电流密度为1 A/g的条件下C2的比电容为268 F/g,经过8000圈的充放电循环(电流密度为4 A/g)表现出极好的电化学稳定性。     

基于共聚物热解P掺杂多孔碳材料的超级电容器

利用三嵌段共聚物P123作为软模板,植酸为P源,葡萄糖为碳源,经简单的水热法和KOH高温刻蚀,制备磷掺杂的三维多孔活性碳材料。SEM和TEM表明,经水热和碳化两个步骤处理后,得到的活性碳材料外表层为开放的大孔,内部则分布为大量介孔和微孔,形成孔嵌套的多层密集孔隙结构。红外光谱和X射线光电子谱(XPS)分析表明,经过高温刻蚀后P元素成功地保留在碳材料基体中,掺杂P后的碳材料电极在1 mol/L KOH电解液中的比电容为235 F/g,远高于AC未掺杂时的182 F/g,经4 000次充放电循环后,该P掺杂碳电极仍保留初始容量的91%,这表明P掺杂可以提高多孔碳材料的储能密度和循环稳定性。     

简易合成MgCo2O4纳米线及其电化学性能研究

通过水热路径引入表面活性剂十二烷基磺酸钠在泡沫镍上成功合成出比表面积较大、超薄多孔的MgCo₂O₄纳米线。研究表明,MgCo₂O₄纳米线展示出紧密交织透明的网格状结构且在5 A/g的电流密度下,比电容高达2128 F/g。在40 A/g的情况下循环6000周次后,比电容保持了原始容量的98.4%。将该纳米线和活性炭分别作为正极和负极组装成非对称超级电容器,其比电容可达65.32 F/g且在功率密度为338.95 W/kg下能量密度可达20.41 Wh/kg。上述结果表明该非对称超级电容器是一个较好的储能装置,在实际应用中拥有良好的潜力。     

生物质炭的制备及超级电容器性能研究

以废弃荔枝果壳为原料，在惰性气体保护下经高温炭化处理，分别以氢氧化钾和草酸钠为活化剂，制备了荔枝壳碳材料。首先，通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、BET比表面积等表征方法分析了所制碳材料的特征光谱，然后在三电极体系[循环伏安法(CV)和恒流充放电试验(GCD)]下测试了材料的电化学性能。结果表明：该材料为储能性能较好的碳材料。当电流密度为0.5A/g时，多孔碳的比电容达到209F/g。该材料具有优异的电化学性能，作为超级电容器的电极材料具有广阔的应用前景。     

NiO/龙舌兰衍生多孔碳复合材料的制备及电化学性能

先采用水热法再经过煅烧处理,将氧化镍均匀负载到龙舌兰多孔碳上。采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、红外辐射检测等,对NiO/龙舌兰衍生多孔碳复合材料（NiO/C）的结构和形貌进行表征,并通过循环伏安和充放电测试对NiO/C的电化学性能进行研究。结果表明：NiO/C-2具有优秀的能量密度与循环稳定性,在5 A/g的电流密度下,能量密度可达22 W·h/kg;循环10 000次后,容量保持率高达91%。此外,当电流密度为1 A/g时,NiO/C-2的比电容为312 F/g;当电流密度增大到20 A/g时,比电容仍高达155 F/g 。因此,基于龙舌兰多孔碳的结构稳定性,适量的NiO负载可以提升材料的比电容和循环稳定性。     

原位沉淀-焙烧法制备NiO/P-CNT复合材料及其电容性质

以聚吡咯衍生的碳纳米管作为载体,通过原位沉淀-焙烧相结合,合成了新型的氧化镍/聚吡咯衍生碳纳米管(NiO/P-CNT)复合材料。采用粉末X射线衍射、热重、能谱、扫描电镜、透射电镜、循环伏安以及恒流充放电测试对样品进行表征和分析。结果表明,须状氧化镍均匀的负载在聚吡咯衍生的碳管表面,构成了具有三维网络结构的复合物。基于这种特殊结构的优势,该复合物在电流密度为2A/g下的比电容为382F/g,NiO在复合物中电容贡献为441F/g,而NiO的比电容为351F/g。经过400圈充放电后,复合物的比电容保持在90%以上,而NiO的容量保持率为82.6%。因此,该复合电极材料较NiO具有更高的比电容和更好的循环特性。     

原位沉淀-焙烧法制备NiO/P-CNT复合材料及其电容性质

以聚吡咯衍生的碳纳米管作为载体,通过原位沉淀-焙烧相结合,合成了新型的氧化镍/聚吡咯衍生碳纳米管(NiO/P-CNT)复合材料。采用粉末X射线衍射、热重、能谱、扫描电镜、透射电镜、循环伏安以及恒流充放电测试对样品进行表征和分析。结果表明,须状NiO均匀地负载在聚吡咯衍生的碳管表面,构成了具有三维网络结构的复合物。基于这种特殊结构的优势,该复合物在电流密度为2A/g下的比电容为382F/g,NiO在复合物中电容贡献为441F/g,而NiO的比电容为351F/g。经过400圈充放电后,复合物的比电容保持在90%以上,而NiO的容量保持率为82.6%。因此,该复合电极材料较NiO具有更高的比电容和更好的循环特性。     

磷钼酸负载碳纳米管复合物的制备及其超级电容性能

以聚多巴胺包覆碳纳米管为载体, 借助聚多巴胺超强的粘附性, 利用简单的溶液浸渍法制备了磷钼酸负载碳纳米管(PMA@CNTs)复合物。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电化学测试等对复合物的组成、结构、形态和超级电容性能进行了表征。结果表明: 聚多巴胺可将磷钼酸均匀且牢固地负载在碳纳米管上。在0.5 mol/L的H₂SO₄电解液中, 复合物的最大比容量为511.7 F/g, 最大能量密度可达66.8 Wh/kg, 相应的功率密度为1000 W/kg。经过1000次循环, 比容量无任何衰减。以上研究结果说明PMA@CNTs复合物在电化学储能领域拥有极好的发展前景。