超级电容器用生物质衍生多孔炭材料研究进展

能源消费增加促使绿色能源开发成为趋势,同时推动能源存储系统快速发展,超级电容器以高功率密度和长循环寿命的优势得到广泛关注,其中电容炭材料逐渐成为研究热点。用来源广泛、有可再生性、价格低廉、绿色环保的生物质制备超级电容器用多孔炭材料,在开发绿色能源的同时解决了能源存储问题。多孔炭材料结构调控与性能完善是提高超级电容器性能的重要途径之一。综述了生物质衍生多孔炭材料及其在超级电容器领域的应用,按原料来源(植物、动物和微生物)及材料维度(0D、1D、2D和3D)的分类体系,多孔炭材料制备方法及技术现状。将多孔炭的制备分为炭化和活化,简述了炭化与活化机理、活化方式选择和常见活化剂特性,但生物质衍生多孔炭材料制备过程中影响因素多,且性能不及传统煤基碳材料,需进行多方面设计优化,包括选择生物质前驱体、合理使用炭化技术、调控活化过程各影响因素和选择改性过程中掺杂物等。基于在超级电容器领域的应用需求,重点探讨生物质多孔炭材料优化方式,包括孔结构调控、表面元素掺杂及与石墨烯复合形成新型炭材料等。梳理多孔炭材料用于超级电容器中时的难题与重点,通过寻找多孔炭材料在高比表面积、均匀孔隙分布和高导电性3方面的最优...     

多孔炭材料在超级电容器中的应用

本文较全面地论述了炭电极和超级电容器的工作机理和优点,讨论炭结构和表面对超级电热器电容量和放电速度的影响以及分析其对漏电流的影响,并介绍前人对多孔炭电极材料进行改良的方法,对目前所使用的活性炭粉、活性炭纤维、碳气凝胶、碳纳米管、纳米碳纤维等炭电极材料进行比较,讨论所存在的一些问题及对未来进行展望.     

沥青基多孔炭材料的制备及在超级电容器中的应用进展

沥青是由富含稠环芳烃的系列碳氢化合物及其非金属衍生物组成的复杂混合物,具有较高的碳含量。开发沥青作为炭材料前体,用于制备超级电容器炭电极材料,既拓展了沥青的应用市场及提升其附加值,更是响应国家对于新型能源利用的需求。本文首先对超级电容器的储能机理进行了阐述,探讨了影响超级电容器用炭材料电化学性能的结构因素及规律,概述了沥青的组成、结构模型、来源及其应用。然后综述了沥青基多孔炭用作超级电容器电极材料的研究进展,并对活化法、模板法及熔盐法等方法制备沥青基多孔炭的特点与进展进行了分析,着重对沥青基多孔炭材料的改性研究进行了总结。最后指出了沥青基多孔炭材料作为超级电容器电极材料的发展优势及不足,建议对沥青原料进行预处理联合炭化后脱除金属杂原子,以获得稳定长循环寿命的电容炭;加强对沥青中四组分炭化成炭规律的研究,以提高沥青基超容炭材料的成炭率;KOH活化法与其他活化方法相结合,以期在获得高性能活性炭基础上减少对设备的损耗与环境的影响。     

碳(炭)材料与超级电容器

多孔碳(炭)材料是用来制造超级电容器电极的理想材料之一．特别是中孔(≥nm)丰富的多孔碳(炭)材料,最适合制造超级电容器的电极．     

含杂原子多孔炭的制备及其超级电容性能北大核心

电极材料的比表面积、孔道结构及孔径分布、杂原子等都是影响超级电容性能的重要因素。本研究以间氨基苯酚为原料,与甲醛反应制备聚苯并噁嗪微球(APFs),经KOH活化处理并高温炭化后,得到能够用于超级电容器的含杂原子多孔炭。采用SEM、BET、XRD和XPS等对样品的形貌、比表面积、石墨化程度和表面官能团进行测定,并借助循环伏安法、恒电流充放电测试法和交流阻抗法对样品的电化学性能进行探究。结果表明,所制备的CAPFs-700-2材料具有丰富的孔道结构,且比表面积高达3188 m^(2)/g。此外,CAPFs-700-2表现出优异的超级电容性能,在电流密度为0.5 A/g时其比电容达到228 F/g,在5000次循环后其比电容保持率仍为90.2%,表现出良好的倍率性能和循环稳定性。     

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%。     

梧桐絮制备多孔纤维碳材料及其在超级电容器中的应用

以法国梧桐絮为原料、KOH为活化剂,通过碳化制备多孔纤维碳材料,并在此基础上组装了超级电容器器件。通过SEM、EDS、XRD、Raman、FTIR、BET等对制备的多孔纤维碳材料进行表征,并研究了多孔纤维碳材料电极的电化学性能。结果表明:在扫描速率为50 mV·s~(-1)时,800℃下碳化制备的梧桐絮多孔纤维碳材料电极的比电容可以达到236 F·g~(-1);所组装电极在循环10 000次后,比电容仍维持原来的99.8%,表明梧桐絮多孔纤维碳材料在超级电容器领域有巨大的应用潜力。     

纤维素基生物质多孔炭的制备及其超级电容器性能研究

以棉纤维素为原料,采用硝酸盐、尿素、纤维素共混后热裂解的方法制备分级多孔炭HPC样品,通过改变煅烧温度和KOH活化处理对多孔炭比表面积及孔结构进行调控。对比三个不同温度煅烧活化处理后样品的循环伏安曲线、恒电流充放电曲线、比容量等电化学参数,结果表明,4AC@HPC800样品作为超级电容器工作电极具有优良的电化学性能,其比表面积高达2433.8 m²·g^-1,在1 A·g^-1的电流密度下比容量高达234.7 F·g^-1,在大电流密度10 A·g^-1时依然有207.6 F·g^-1的比容量,具有良好的倍率性能;电极在2 A·g^-1的电流密度下循环10000次后依然有196.1 F·g^-1的比容量,表明其具有长时工作的特性。     

纤维素基生物质多孔炭的制备及其超级电容器性能研究

以棉纤维素为原料,采用硝酸盐、尿素、纤维素共混后热裂解的方法制备分级多孔炭HPC样品,通过改变煅烧温度和KOH活化处理对多孔炭比表面积及孔结构进行调控。对比三个不同温度煅烧活化处理后样品的循环伏安曲线、恒电流充放电曲线、比容量等电化学参数,结果表明,4AC@HPC800样品作为超级电容器工作电极具有优良的电化学性能,其比表面积高达2433.8 m²·g^-1,在1 A·g^-1的电流密度下比容量高达234.7 F·g^-1,在大电流密度10 A·g^-1时依然有207.6 F·g^-1的比容量,具有良好的倍率性能;电极在2 A·g^-1的电流密度下循环10000次后依然有196.1 F·g^-1的比容量,表明其具有长时工作的特性。     

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。     

以废弃梨子为原料制备蜂窝状多孔炭材料及其电化学性能研究

一些先进的碳纳米材料在超级电容器中的实际应用仍然受到资源稀缺和成本高的阻碍.通过化学转化可再生和丰富的生物质为碳基电极材料的经济和可持续利用提供了良好的机遇.本实验以废弃梨子为前驱体,KOH为活化剂,在700℃下合成蜂窝状分级多孔炭材料.以废弃梨子为前驱体合成的多孔炭材料显示出较高的比表面积及良好的电化学性能.     

生物质基多孔碳在超级电容器中的应用进展

介绍了近期国内外生物质多孔碳的最新研究进展,并对以生物质作为前躯体制备多孔碳材料的制备方法、孔结构的控制以及微观形貌的调控等进行了综述,并对其在超级电容器中的应用情况进行了总结和展望。     

生物炭应用于超级电容器的研究进展

生物质是可再生的绿色资源,是制造炭材料的优质原料。生物质固有的有序多孔结构有利于活化过程,产生具有超高比表面积和孔体积的多孔炭。生物质中固有的N、S、P和O元素可产生具有独特结构的自掺杂生物炭。本文综述了生物炭的合成方法以及在超级电容器中应用。结果表明,生物炭的电化学性能取决于其孔隙结构、比表面积、杂原子掺杂、石墨化程度等。通过与过渡金属(氢)氧化物、导电聚合物等复合,可以进一步提高其电化学性能。     

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。     

超级电容器性能由炭电极材料结构决定北大核心

法国研究人员日前报告说,用来制造超级电容器电极的炭材料结构越不规则,超级电容器的电容就越大,对高压的承受能力也越强。超级电容器是一种新型储能装置,具有充电时间短、输出功率高、寿命长等优点,可用于车辆制动能量回收系统等。其工作原理基于电极和电解液中的正负离子间的相互作用,电极表面积越大、和正负离子间的相互作用越强．电容就越大。     

多孔淀粉硬炭负极材料的制备及性能研究北大核心

以淀粉为原料,采用酶化水解法制成多孔淀粉,进一步高温炭化后制备多孔淀粉硬炭。通过XRD、拉曼光谱、SEM分别表征了酶化多孔淀粉硬炭与未酶化淀粉硬炭的微观结构及形貌。通过电化学性能分析表明,酶化多孔淀粉硬炭具有高首次可逆放电容量、高首次库伦效率、优异的倍率充放电及循环性能。生物质淀粉硬炭原料价格低廉、制备过程环境友好,有望在锂离子电池领域得到应用。     

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。     

分级多孔碳的制备及其在超级电容器中的应用

超级电容器因其高功率密度、超高速充放电、高稳定性等突出特点在电化学储能装置中引起人们极大关注.在当前开发的电极材料中,碳材料因其良好的导电性、孔隙率及形貌可调等特点备受青睐.传统的单一微孔碳材料具有较大的比表面积,但存在利用率低、孔道堵塞、电阻较大等问题.针对上述问题,研究人员对分级结构多孔碳材料开展了广泛的研究.本工...     

磷酸镁多孔材料的制备及其在结构超级电容器的应用

以NaHCO₃为引气剂,利用化学发泡法制备磷酸镁多孔材料（MPCPM）,该材料孔径发达、强度较高。利用MPCPM和KOH复合形成结构载体/电解质双连续相系统,并与石墨烯电极组装成一种新型结构超级电容器。研究发现,MPCPM孔隙连通度是影响结构超级电容器电学性能的主要因素。内部连通孔隙结构有利于离子的运输,从而改善结构超级电容器的储能容量。使用循环伏安、交流阻抗、恒流充放电以及抗压强度测试等方法研究化学发泡剂NaHCO₃掺量及养护龄期对结构超级电容器电学性能和力学性能的影响。NaHCO₃掺量为2.5%时比电容最高可达62.2 F·g^-1,比不掺加NaHCO₃时提高了34.1%。并且当NaHCO₃掺量为2%其比电容为38.79 F·g^-1,同时抗压强度高达18.76 MPa,显示出良好的多功能性。     

多孔碳纳米线/MnO_2复合材料的制备及其在电化学超级电容器中的应用研究

采用化学气相沉积法(CVD),以1,2-邻二氯苯和二茂铁为前驱体批量制备高纯度多孔碳纳米线(PCNF)。采用微波法将MnO2负载在多孔碳纳米线上从而构筑MnO2/PCNF复合材料。用SEM、TEM、XRD和TGA等测试手段对所得材料进行形貌及结构分析,采用循环伏安和恒流充放电测试检测MnO2/PCNF复合材料的电容特性。实验结果表明,该复合材料比电容较高,循环性能良好,在1000圈循环测试(2A·g-1)后电容保持率为89.3%。