热解Ni/Co-ZIF-8制备碳纳米管桥连多孔碳及其在超级电容器中的应用

金属-有机骨架(MOFs)衍生碳材料具有丰富的孔道结构和超高的比表面积,在超级电容器等储能领域展现出巨大潜力。以环保型ZnO纳米球为模板,通过水热法制备核壳结构ZnO@Ni/Co-ZIF-8前体。将其在四种温度(700、800、900、950℃)下热解,获得不同形貌的Ni、Co及N掺杂的MOFs衍生碳材料Ni/Co-CN,并探究了煅烧温度对其储能性能的影响。结果表明,随着煅烧温度升高,Ni/Co-CN逐渐由多孔碳变为碳纳米管桥连多孔碳结构。当热解温度为900℃时,Ni/Co-CN-900的比电容最大。在1 mol/L的KOH电解液中对其进行循环伏安测试,曲线对称性良好,表明其具有优异的电化学可逆性。通过计算该过程电荷存储的电容贡献和扩散贡献占比可知,Ni/Co-CN的储能主要来自多孔碳的双电层吸附,少量来自N掺杂导致的法拉第反应。在0.5 A/g的电流密度下,Ni/Co-CN-900的比电容高达273.5 F/g。在10.0 A/g的电流密度下进行5000次恒流充放电后,其比电容保持率高达93.8%,展现出良好的电化学性能。     

磷酸铵活化制备N、P共掺杂多孔碳材料及其在储能方面的应用

以悬铃木果絮作为模板,利用磷酸铵高温下分解反应,成功制备了N、P共掺杂的多孔碳材料,研究了其在不同体系下的电化学性能。作为钠离子电池负极时,在0.05A/g电流密度下,所制备材料的容量为239m Ah/g,循环200次之后可保持初始容量的91.6%;同时作为水系超级电容电极时,在电流密度为0.5A/g时,比容量分别可达到205F/g,循环1000圈后,容量保持率分别为94.5%。相比与传统活化得到的样品,所合成的掺杂多孔碳材料表现出更优异的电化学性能,表明磷酸铵活化在制备新型掺杂多孔碳材料方面具有较好的应用前景。     

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。     

生物质氮掺杂多孔炭的制备及电化学性能研究

利用造纸废料生物质衍生物木质素磺酸钠作为碳源,邻苯二胺为氮源,经低温预处理后活化制备了氮掺杂多孔炭(NPC)。采用XRD、XPS和低温N_2脱/吸附技术对其结构、比表面积和孔径分布进行了分析。通过研究投料比、活化温度对材料电化学性能的影响可知,当木质素磺酸钠与邻苯二胺的质量比为5∶3,焙烧温度为750℃时,获得的氮掺杂多孔炭(NPC-750)具有最佳的电化学性能。在电流密度为1 A/g时,NPC-750的比电容为226 F/g,电流密度升高到20 A/g时,比电容仍有178 F/g,表明该电极具有较好的倍率性能(78.8%)。另外,在充放电流密度为10 A/g下循环1000次后,其容量保持率高达98.8%。     

硼/氮共掺杂多孔碳纳米片的制备及其电化学性能

以煤系腐殖酸铵为前体,硼酸为多功能助剂,在700℃和800℃下一步炭化成功制备了B/N共掺杂多孔碳纳米片,并考察了其用作超级电容器电极材料的电化学性能。结果表明,该B/N共掺杂多孔碳纳米片具有发达的孔结构和较高的中孔率（36.15%和40.84%）,富含氮（6.04%和6.01%）、硼（3.97%和4.18%）、氧（17.01%和16.87%）等杂原子,赋予相应电极材料较好的导电性、良好的润湿性和快速的离子扩散性能。BNHC-700和BNHC-800在0.05A/g电流密度下的比电容分别为114F/g和118F/g,后者还具有优异的倍率性能（5A/g下的比电容保持率高达75.21%）。BNHC-700和BNHC-800的循环稳定性良好,在2.5A/g电流密度下10000次恒流充放电后的比电容保持率分别高达99.84%和98.57%。     

氮掺杂多孔石墨碳的制备及储能特性

为得到高储能特性的超级电容器电极材料,以价格低廉的生物质——海带为碳源、三聚氰胺为氮源,通过聚合-NaOH活化法合成出纳米级氮掺杂多孔石墨化碳材料(NPGC)。通过XRD、BET、Raman和XPS测试手段对其进行了表征,结果显示:片层结构的NPGC具有大的比表面积(1771 m~2/g)、高的氮含量[x(N)=6.27%]和良好的石墨化强度(I_D/I_G=2.84)并对材料进行了循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗性能测试,结果表明:在电流密度为1A/g时,NPGC比电容高达267F/g,5000次恒流充放电循环后,其比电容仍为初始比电容的99.9%,具有优异的储能特性。     

超盐环境下含氮碳气凝胶的制备及其在超级电容器中的应用

多孔碳材料因其优异的导电性和稳定性,以及成本低廉等优点而成为当今的研究热点之一。以苯酚、甲醛和三聚氰胺为原料,利用高浓度氯化锌来提供超盐环境,经溶剂热反应后,在氮气中800℃下热解制得了含氮碳气凝胶(NCA)。扫描电子显微镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱和氮气吸附等表征结果表明,该含氮碳气凝胶具有分级多孔蜂窝状结构,其比表面积高达729.6 m2/g。采用三电极测试体系测试了含氮碳气凝胶的电化学性能,结果表明,在三电极体系中,以0.5 mol/L H₂SO₄作为电解液,含氮碳气凝胶在电流密度为1 A/g时比电容达到350.7 F/g;在电流密度为20 A/g时,经过10000次充放电后,含氮碳气凝胶的电容保持率仍高达97.8%。在双电极体系中,含氮碳气凝胶在800 W/kg的功率密度下,能量密度可达26.8 (W·h)/kg。上述结果表明,该含氮碳气凝胶是一种非常理想的超级电容器电极材料。     

空气氛围下废弃秸秆转化为铁/生物碳复合储能材料的研究

采用熔融盐法通过向秸秆材料中掺杂铁元素，将废弃秸秆转化为铁氧化物/生物碳储能材料(FeBNS)。研究了铁加入量对FeBNS储能性能的影响，并对其进行结构表征和电化学性能测试。结果表明，碳基材料中的铁氧化物主要以Fe₂O₃和Fe₃O₄的形式存在，FeBNS呈现出明显的片状结构，并且具有丰富的孔道结构。成功制备了具有双电层电容和赝电容性质的超级电容材料，在电流密度为2 A/g时，电容为212.2 F/g;电流密度为10 A/g时，电容为149.9 F/g,保留率为70.6%。     

超盐环境下含氮碳气凝胶的制备及其在超级电容器中的应用

多孔碳材料因其优异的导电性和稳定性,以及成本低廉等优点而成为当今的研究热点之一。以苯酚、甲醛和三聚氰胺为原料,利用高浓度氯化锌来提供超盐环境,经溶剂热反应后,在氮气中800℃下热解制得了含氮碳气凝胶(NCA)。扫描电子显微镜、拉曼光谱、X射线光电子能谱和氮气吸附等表征结果表明,该含氮碳气凝胶具有分级多孔蜂窝状结构,其比表面积高达729.6 m~2/g。采用三电极测试体系测试了含氮碳气凝胶的电化学性能,结果表明,在三电极体系中,以0.5 mol/L H_2SO_4作为电解液,含氮碳气凝胶在电流密度为1 A/g时比电容达到350.7 F/g;在电流密度为20 A/g时,经过10000次充放电后,含氮碳气凝胶的电容保持率仍高达97.8%。在双电极体系中,含氮碳气凝胶在800 W/kg的功率密度下,能量密度可达26.8 (W·h)/kg。上述结果表明,该含氮碳气凝胶是一种非常理想的超级电容器电极材料。     

磷化钴/氮磷共掺杂碳复合材料的制备及其储锂性能

金属磷化物在储能方面具有优异的电化学性能。然而磷化物电导率低,体积膨胀严重,易导致材料粉化、脱落,影响电池的电化学性能。因此采用盐模板法制备了三维蜂窝状的磷化钴/氮磷共掺杂碳纳米材料(CoP₂/NPC)。三维多孔的纳米结构有利于离子/电子传输,当电流密度为100 mA/g时,循环100圈后,CoP₂/NPC具有560.1 mA·h/g的比容量,当增大电流密度到5 000 mA/g时,其放电比容量仍具有355.3 mA·h/g的稳定容量。     

秸秆基碳材料在Li2SO4电解液中的电化学性能

以生物质秸秆为碳源,利用水热结合KOH活化法制备了多孔碳材料,对其结构与形貌进行了表征。采用三电极体系,在不同浓度的Li₂SO₄电解液中,对多孔碳电极进行循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗测试。结果表明,在0.5 mol·L^-1的Li₂SO₄电解液中,秸秆基生物质碳材料呈现出较好的电化学性能。当电流密度为0.5 A·g^-1时,比电容可达224 F·g^-1;经1500次充放电测试后,比电容保持率高达94.1%,循环性能良好。     

纳米木质素基多孔炭的制备及其电化学性能

基于绿色低共熔溶剂（DES）高效分离麦草生物质组分以制备纳米木质素（LNP）,本文采用化学活化法并进一步热解炭化制备纳米木质素基多孔炭（LNPC）。借助SEM、Raman、BET-物理吸附等分析手段研究了锌系活化剂及热解炭化温度（600℃、700℃、800℃）对LNPC的结构特征及电化学性能的影响。研究结果表明,相对于LNP直接热解炭化后纳米碳粒子的极易团聚,经锌化物活化后所制备的LNPC表现出更好的分散性和多级孔道形貌结构。尤其,以ZnCO₃活化后制备的LNPC-ZnCO₃-800具有更突出的性能,较高石墨化程度（I_D/I_G为0.68）、较高BET比表面积（679m²/g）、高介孔率（86.7%）、均匀纳米碳粒子构成的介孔结构。此外,以LNPC-ZnCO₃-800制备的工作电极,在0.5A/g时的比电容可达179F/g,与直接热解炭化的LNPC-800（64F/g）相比,其比电容的容量提高了180%。     

凹凸棒NaY分子筛模板炭材料的制备及其电化学性能研究

以凹凸棒为原料,采用水热原位晶化法合成了NaY分子筛,然后采用模板法以制备得到的纳米级NaY分子筛为模板,麦芽糖为碳源,制备得到一种微孔模板炭材料。采用XRD、FESEM、N2吸附/脱附等手段对NaY分子筛和微孔模板炭材料的物理性能进行表征。测试结果表明,NaY分子筛的粒径小于100 nm,比表面积为487 m2/g;模板炭材料的比表面积为789.2 m2/g、总孔容为0.62 m3/g,平均孔径为1.5 nm。随后,采用恒电流充放电测试、循环伏安测试对模板炭材料的电化学性能进行测试。恒电流充放电测试表明,当电流密度为600 m A/g时,材料的比电容可达163.3 F/g,循环伏安测试中材料表现出了良好的循环伏安曲线的矩形特征,较好的说明了材料具有良好的倍率性能。     

聚合物功能性填料豆秸基活性炭的制备及导电性能研究

为了增强橡胶制品的耐热性或者一般高分子聚合物的导电性,活性炭作为一种功能性填料被用于相关材料的成型加工中。本文采用豆秸活化,并在高温下炭化制备了高分子材料的填料—活性炭。并且通过多种测试手段分析其电化学性能。本文主要研究了采用KOH直接活化豆秸粉的方法,并通过700℃高温碳化获得高比表面积豆秸基活性炭。通过改变原料与KOH的混合比例,得到不同的产品。通过电化学性能测试、氮气吸附测试、电镜分析等对所得到的碳材料进一步表征。结果显示,采用改变KOH的比例制得的不同碳材料都含有丰富的微孔及一定量的介孔和大孔。其中DFC-1:1.5样品的总比表面积达到1269 m2/g,微孔率达93.8%。将所制备的碳材料制备成电极材料,在浓度为30%氢氧化钾电解液中进行电化学性能测试。测试表明,活性炭表现出良好的超电容特性。其中DFC-1:1.5电化学性能较好,在电流密度0.1 A/g下,其电容值达到255.1F/g,在电流密度增加到5A/g时其比电容依然可达160.7 F/g。通过三电极交流阻抗测试,碳材料的内阻非常小,说明导电性能良好。     

酚醛树脂基活性炭材料的制备及其电化学性能

以酚醛树脂（PF）为原料,聚乙二醇（PEG）为造孔剂,采用聚合物共混炭化及水蒸气活化法制备超级电容器电极用活性炭。通过热重（TG）分析探讨了PF、PEG及其共混物（PF-PEG）在升温过程中的热解行为,用N₂-BET法测试比表面积及其孔结构参数。通过测试恒流充放电、循环伏安和交流阻抗曲线分析其电化学性能,研究了活化温度、水蒸气流速及活化时间对活性炭孔结构及电化学性能的影响。结果表明,当活化温度为900℃、水蒸气流速为1 ml·min^-1、活化时间为2 h时制备的活性炭结构和性能相对较好,孔径主要分布在2 nm以下,比电容达到105.4 F·g^-1,具有良好的电容特性。     

Electrochemical performance of NiFe2O4 nanostructures incorporating activated carbon as an efficient electrode material

The quest for cost-efficient electro-active materials exhibiting high specific capacitance is currently a key focus in energy-related research. Owing to their high capacitance values, metal oxides (MOs) are preferably being utilized for energy storage applications as electrode materials in supercapacitors. However, the electrochemical performance of MOs is hindered due to less specific surface area and high tendency towards aggregation. Therefore, tuning in electrochemical activity of MOs is essential. In this framework, NiFe₂O₄ was prepared using a facile and cost-effective citrate-gel followed by auto-ignition method, and was incorporated with activated carbon contents to tune the electrochemical performance. Formation of inverse spinel structure of NFO and its stability throughout the compositions was examined using X-ray diffraction analysis. Well-dispersed, spherical and porous morphological features were visualized using a field emission scanning electron microscope. The electrochemical analysis was conducted using CH instruments 660 E via freshly prepared 4 M KOH solution. Cyclic voltammetry was carried out at constant potential window of 0.25–0.65 V and different scan rates (0.009–0.08 Vs^-1). The pseudo-capacitive behavior was perceived from occurrences of oxidation/reduction peaks. In addition, charge/discharge curves revealed cyclic stability over long range cycles. Specific capacitance, discharge time, energy and power density values were also measured for all the compositions and NFO with 1% activated carbon was found to be the most suitable candidate for use as electrode materials in the present work.     

基于低共熔溶剂体系的氮掺杂超级电容炭

以杉木屑为原料,氯化锌和尿素为低共熔溶剂,炭活化后制备了氮掺杂活性炭,采用正交实验设计考察了浸渍比、活化温度和活化时间对活性炭电化学性能的影响。采用比表面积(BET)、X射线光电子能谱(XPS)、循环伏安、恒流充放电等表征手段研究了材料的孔隙结构和表面化学元素及电化学性能。研究结果表明：最佳工艺条件是浸渍比为4,活化温度为750℃,保温时间为3h。对活性炭的孔隙结构进行分析,可以发现低共熔溶剂活化后的活性炭有利于微孔的形成且比表面积可达到797.82m²/g,氮含量为11.55%,其中氮元素化合态主要表现为吡啶型N、吡咯型N和石墨型N。在6mol/L的KOH电解液中,当电流密度1A/g时,可达233.85F/g的比电容,当电流密度增加到20A/g时,比电容依然能够维持在159.6F/g。     

Three-dimensional porous carbon aerogels from sodium carboxymethyl cellulose/poly(vinyl alcohol) composite for high-performance supercapacitors

Three-dimensional interconnected porous carbon aerogels were successfully prepared by the pyrolysis of sodium carboxymethyl cellulose/poly(vinyl alcohol) composite using borax as a cross-linking agent. After sol–gel, freeze-drying, carbonization and KOH-activation treatments, the as-obtained carbon aerogels exhibited high specific surface areas (SSAs) and excellent electrochemical performance. The optimal sample showed a high SSA of up to 601.4 m²/g with a total pore volume of 0.38 cm³/g. The aCA-3 sample exhibited an excellent capacitance of 182.8 F/g at a current density of 0.5 A/g, within a potential window of ??1.0 to 0.0 V in a 6 M KOH electrolyte solution. In addition, the aCA-3 electrode showed excellent cyclability with 96.2% capacitance retention efficiency at 2 A/g current density after 2000 cycles of charge/discharge. These easily prepared, well-structured and high-performance carbon aerogels have significant potential applications in advanced electronic devices and energy storage systems.