氮掺杂多孔炭材料的制备及其电容行为研究

氮掺杂多孔炭材料作为电荷存储和电子传输载体,在储能、催化等领域有重要应用,已成为炭材料领域的研究热点之一。通过煤沥青分子结构设计,引入具有亲水性羧基官能团,利用羧基与氮原子配位作用,成功制备了不同微观结构和表面形貌特征的氮掺杂炭材料。实验研究表明,氮掺杂多孔炭材料氮的质量分数为4.99%,氮的化学键合态以石墨氮(N-Q)和吡啶氮(N-6)为主,占比为72.9%。氮原子的引入,显著提升炭材料的电化学性能。在1A·g~(-1)电流密度下,电极材料的比容量为371.6 F·g~(-1),当电流密度增加到10 A·g~(-1)时,比容量为269 F·g~(-1),容量保持率为72.4%。     

氮掺杂生物炭的制备与应用研究进展

生物质不仅储量丰富、分布广泛且可再生,是一种亟待高值化利用的资源。将其炭化后制备的生物炭具有良好的理化性质,常被用于吸附污染物、制作电极材料。但与活性炭相比,生物炭存在孔隙结构欠发达、表面官能团种类和数量稀少等问题,其应用受到了很大限制。通过对生物炭进行N元素掺杂改性制成N掺杂生物炭（NBC）可丰富生物炭孔隙结构和表面活性位点,提高吸附、导电和催化性能。本文综述了国内外近几年来关于NBC的制备/改性方法 （热解法、活化法、水热法、模板法和后处理法等）及其优点和局限性,梳理了各方法得到的NBC的形貌结构及表面化学特征,概括了氮掺杂对NBC的催化、吸附、电化学性能的影响及NBC在各领域的应用。以“制备-结构-性能及应用”相结合的思路,从NBC的应用角度逆向出发,思考如何通过探究N掺杂机理和优化制备方法,来充分发挥NBC在各领域中的应用价值,并对今后该领域的研究发展提出了展望。     

ZIF-8衍生氮掺杂多孔炭吸附剂的制备及对罗丹明B吸附性能的研究

因孔径结构和氮掺杂的协同效应,氮掺杂多孔炭质吸附剂在吸附处理染料污染物方面备受关注。本文在低温水热处理葡萄糖的基础上,原位合成了葡萄糖@ZIF-8复合物,1000℃下直接高温碳化,得到了不同氮配位环境的多孔炭材料。研究发现,包覆的半聚合葡萄糖在碳化时可抑制ZIF-8中氮物种的逸出程度,使得炭质吸附剂具有较高的氮掺杂浓度和优异的罗丹明B(RhB)吸附性能。吸附动力学结果表明,25℃时,样品GZC-10在240 min内可吸附饱和,平衡吸附量为283 mg·g^-1,吸附扩散行为符合伪二级动力学模型。吸附等温线能够很好地符合Langmuir模型,最大吸附量为383 mg·g^-1,远高于文献报道的同类MOF衍生炭材料。本文制备的氮掺杂多孔炭质吸附剂具有吸附量大、动力学快、润湿性好等优良性能,是一种高效的水处理材料。     

氮掺杂生物炭材料的制备及其在环境中的应用

由生物质转化得到的生物炭材料因其成本低且环境友好被广泛用于环境领域,且对我国实现碳达峰与碳中和有积极的促进作用。非金属氮掺杂生物炭由于氮元素的引入,呈现表面碱度以及多吸附位点的特性,提高了其对污染物的去除性能,然而对氮掺杂生物炭材料的绿色可控合成及掺杂机理的关注不够。本文综述了近几年来国内外氮掺杂生物炭材料的制备及其在环境中的研究应用,梳理了氮掺杂生物炭材料中含氮官能团的类型和不同制备方法,含氮官能团包括吡啶N、吡咯N和石墨N等,其含量和类型受氮源、热解温度和时间的影响,阐明了其中的氮掺杂机理由氮源分解的中间产物、生物炭表面官能团和掺杂过程中的活化剂等因素决定。最后,对氮掺杂生物炭在环境方面的应用及作用机理进行探讨,并在此基础上提出未来研究高效氮掺杂生物炭的重点和研究方向,以期为氮掺杂生物炭在环境中的实际应用提供参考。     

紫菜衍生的氮掺杂分级多孔炭制备及其超级电容性能

紫菜不仅廉价易得,而且富含蛋白质。以紫菜为原料,提供炭源和氮源,先预炭化获得粗炭,再以KOH活化造孔实现氮掺杂分级多孔炭材料的制备。当KOH与粗炭比为2∶1时所获得的氮掺杂多孔炭材料(NDHPC-2)具有最丰富孔隙和最佳蜂窝状分级孔结构,其比表面积高达1975.2m²/g,介孔占比41.2%,掺氮原子含量4.3%。此外,电化学测试表明,三电极体系中NDHPC-2的最大比电容为185.4F/g,同时兼具良好倍率性能、库仑效率和循环稳定性。基于此炭材料,进一步组装了NDHPC-2//NDHPC-2对称超级电容器,单个器件最大能量密度为6.7Wh/kg,并依旧保持了出色的倍率性质、库仑效率和反复充放电稳定性。比如在10A/g高电流密度下连续充放电10000次,整个实验过程的库仑效率始终接近100%,电容损失亦几乎可忽略不计。无论三电极还是两电极体系,NDHPC-2多孔炭材料的超级电容性能均可媲美甚至超过许多已报道的生物质多孔炭材料的电化学表现,展现了较好的储能优势和实际应用潜能。     

氮掺杂有序介孔碳的研究进展

总结了氮掺杂有序介孔碳不同的制备方法,分析了各种制备方法的优缺点,研究了掺氮有序介孔碳在吸附分离、电化学和催化等领域的应用,指出了当前制备掺氮有序介孔碳存在的问题,并对掺氮有序介孔碳的发展方向及应用进行了展望。     

氮掺杂多孔炭负载Cu2Se4Sn/SnSe复合材料的制备及其储锂性能研究

金属硒化物由于比容量高,储量丰富而被认为是一种有潜力的新型锂离子电池负极材料,但其低电导率以及脱/嵌锂时巨大的体积膨胀限制了实际的应用。利用冷冻干燥法配合模板法成功制备了氮掺杂多孔炭负载Cu₂Se₄Sn/SnSe复合材料(Cu₂Se₄Sn/SnSe/N-PCs),对其进行电化学性能测试。结果显示,制备的Cu₂Se₄Sn/SnSe/N-PCs-2的首次库伦效率能接近90%;在0.5 A/g的电流密度下,200圈循环后仍保持931.7 mAh/g的可逆比容量。在3 A/g的电流密度下,能提供880.9 mAh/g的可逆比容量。由于氮掺杂炭骨架提供的高导电网络、稳定的结构以及Cu₂Se₄Sn与SnSe之间的协同效应,Cu₂Se₄Sn/SnSe/N-PCs作为负极材料时具有优异的电化学性能,具有广泛的应用前景。     

高电容氮硫共掺杂多孔炭纳米片的制备

提供一种新型的超级电容器用高电容氮硫共掺杂多孔炭纳米片的制备方法,该方法操作简单、时间周期短、重复性好。以葡萄糖酸钙为碳源、氢氧化钾为活化剂、硫脲为氮硫源,通过直接碳化法制备出氮硫共掺杂多孔炭纳米片,并用于超级电容器的电极材料。通过扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、X射线衍射仪、拉曼以及氮气吸脱附测试分析,氮硫共掺杂多孔炭纳米片具有高比表面积(491 m²·g^-1)、高氮掺杂量(8.1%)、高硫掺杂量(3.7%)以及分级孔道结构,并在6 mol·L^-1的KOH水溶液中表现出良好的电化学性能。当电流密度为0.2 A·g^-1时,其质量比电容高至221 F·g^-1,在20 A·g^-1时,其质量比电容可以达到144 F·g^-1,质量比电容保持率高达65%,而且经过5 000次充放电循环的电容保持率高达100%。该方法制备出的氮硫共掺杂多孔炭纳米片不仅表现出较大实际应用潜力,而且为寻找电化学性能优异的氮硫共掺杂电极材料奠定基础。     

具有发达中孔的多孔炭材料的研究进展

本文综述了国内外在调控多孔炭材料孔径分布，特别是提高其中孔率方面的研究进展，着重介绍了催化活化、界面活化、混合聚合物炭化、有机凝胶炭化、铸型炭化等孔径调控技术及其孔结构形成机理。为控制多孔炭材料的孔径大小和分布，提出其中孔容积（率）和吸附性能提供了理论和实验依据。     

N掺杂多孔碳材料研究进展

通过掺杂氮原子对多孔碳材料进行功能化,可强化多孔碳材料固有的优异性能并赋予其新功能,从而拓宽其在各领域的应用范围。近年来,研究者相继开发了一系列技术方法,已制备得到多种结构特异、性能优异的氮掺杂多孔碳材料。本文基于氮掺杂多孔碳材料的最新研究进展,详细介绍了利用液相模板法、化学气相沉积法、氨气后处理法、化学活化法和水热法等制备氮掺杂多孔碳材料的方法,评述了各种方法的特点及局限性,并简要介绍了该类材料在电池催化、气体吸附分离、储氢及污染气体脱除等方面的应用,指出了氮掺杂多孔碳材料工业应用的规模化制备发展方向。     

多孔炭材料的制备及在废水处理中的应用研究进展

以微孔炭、介孔炭及大孔炭为代表的多孔炭材料,因其三维多孔结构和良好的热稳定性而具有优异的吸附性能,其主要制备方法有活化法、软硬模板法等。在介绍了三种多孔炭材料制备方法与特点的基础上,综述了多孔炭材料作为吸附剂在重金属离子废水、染料废水和其他废水处理中的应用研究进展。     

沥青的化学交联预处理对氮掺杂多孔炭结构及性能的影响

以煤液化沥青为碳源,三聚氰胺为氮源,煤液化沥青经化学交联预处理后与三聚氰胺混合,得到的混合物经炭化和CO2活化制备了氮掺杂多孔炭.用元素分析、扫描电镜、透射电镜、物理吸附和电化学工作站等对多孔炭的组成、微观结构及电化学性能进行了表征.通过不同工艺过程的对比实验,研究了化学交联处理对掺氮材料表面性质及其孔结构的作用.结果...     

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。     

模板法制备多孔炭材料的研究进展

模板法为各种有机和无机纳米材料的可控和定向合成开辟了一条全新的技术途径，近年来已经成为材料制备研究领域引人注目的新方法。本文就迄今为止模板法在制备具有规则结构的多孔炭材料领域的研究动态进行综述，介绍了多孔炭材料的模板法制备、应用前景及其可能的形成机制。     

水分子在多孔炭材料上的吸附行为研究进展

多孔炭材料具有较大的比表面积和发达的孔隙结构,是吸附有毒有害气体的关键材料,备受环境、化工、军事化学等领域的关注。多孔炭材料对有毒有害气体的吸附性能受气氛中水分子竞争吸附的影响,研究多孔炭材料对水分子的吸附行为是复杂环境下吸附分离有毒有害气体的基础,对改进多孔炭材料的表面官能团组成和孔结构具有重要的指导意义。基于此,本文综述了国内外关于水分子在多孔炭材料上吸附的机理、过程和影响因素,探讨了水分子作为示踪分子用于多孔炭材料结构表征的潜在可能,并对未来吸附理论的研究方向和指导新型吸附材料设计的应用前景进行展望。     

氮掺杂多孔碳材料的制备及其用于CO2的催化转化

以烟酸为碳源和氮源,氢氧化钾为活化剂,通过高温碳化制备了一种氮掺杂多孔活性碳材料.通过BET、XRD、XPS、SEM和元素分析对催化剂进行表征,结果表明该催化剂具有高比表面积和高含氮量.研究了其在CO2和氧化苯乙烯环加成反应中的催化性能,在无溶剂、温和条件下可高效催化转化CO2,最佳反应条件为1 bar、100℃和8 ...     

氮硼掺杂菌糠炭：蜂窝结构用于电极材料

绿色可再生、储量丰富且成本低廉的农林废弃物在能源转化利用领域具有重要位置。本文利用中国北方最常见的农林废弃物菌糠为原料,分别以氢氧化钾、硼酸铵为活化剂和掺杂剂,通过简单的高温煅烧法制备了具有蜂窝结构的氮硼双掺杂菌糠炭（NBFC）。NBFC的微观形貌和物理结构表征结果显示：NBFC-3为表面粗糙的蜂窝状多孔材料,孔径集中在2nm左右,比表面积高达2968.48m²/g,具有相互连接的微介孔网络结构。电化学性能测试结果表明：当电流密度为0.5A/g时,NBFC-3的比电容高达297.2F/g。即使当电流密度增加到10A/g后,比电容仍可达218.5F/g,在循环5000圈后（电流密度为5A/g）,比电容保持率为94.5%,展现了良好的倍率性能和显著的电化学稳定性。综上,NBFC是一种极有潜力的电化学储能材料。该研究也为农林废弃物菌糠的高效利用提供了新思路。     

基于锌-MOF衍生自掺杂氮多孔炭在超级电容器中的研究

通过简单的水热法工艺制备锌-MOF并调节炭化温度得到自掺杂氮多孔炭ZBTC-T,通过X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、氮气吸附曲线、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对自掺杂氮多孔ZBTC-T的结构进行了表征,说明了微观结构和宏观性能之间的关系。自掺杂氮多孔炭ZBTC-T结合了金属和炭的优势以及保留锌-MOF中的氮原子从而展现出优异的电化学性能,自掺杂氮多孔炭ZBTC-850具有7.98%的高含氮量和735.42 cm²/g的比表面积,在电流密度为1.0 A/g,具有212.9 F/g的优异比电容,经过5 000次充放电循环中保持其原始值85.04%,突出良好的倍率性能优势并在高性能方面表现出广阔的应用前景。