MOF衍生碳材料的制备与研究进展

多孔碳材料因其具有优良的物理化学性质,在能源、环境和催化等领域备受关注.实现多孔碳材料的结构与形貌组成可控可调,降低制备成本是它的研究重点.金属有机骨架材料(MOF)是金属离子和有机物通过配位键形成的一类新型多孔材料,在储能、催化和分离中都有广泛的应用.使用MOF作为碳的前驱体或模板制备碳材料,可以很好地继承MOF固有...     

多孔碳纳米球及其负载金属催化剂的研究进展

多孔碳纳米球由于可实现尺寸、形貌、孔结构以及表面基团等的可控合成制备,其负载/镶嵌的金属粒子又兼具高活性和高热稳定性等,在多相催化领域中受到越来越多的关注。本文追溯了多孔碳纳米球形貌调控的发展历程及其负载金属催化剂在催化反应领域中的应用。归纳了不同形貌的多孔碳纳米球及其制备方法和原理,详细对比了各个方法的优缺点;阐述了多孔碳纳米球负载金属催化剂的性能和碳球结构与形貌之间的构效关系;总结了目前碳球作为催化剂载体亟需解决的问题是碳球的多孔结构及其负载尺寸可控和空间匀称分布的金属粒子的可控合成,并展望了其发展方向是进一步研究和探索结构可调、经济可行的碳纳米球制备方法,真正实现工业化应用。     

煤基零维纳米碳材料的合成、性能及其在能源转换和存储应用中的研究进展

煤是自然界中分布最广、储量最丰富的含碳资源,其分子结构与纳米碳材料具有天然的相似性,是优质的纳米碳材料前体。多年来,以煤为前体制备的各种纳米碳材料已被广泛应用于能源、信息、环境和生物医学等领域。其中,煤基零维纳米碳材料如纳米金刚石、富勒烯、碳纳米洋葱、碳点等,因其具有小的纳米尺寸、大的比表面积、独特的球形结构等,表现出优异的荧光特性、电化学性能以及催化性能等,在能源转化和存储等领域展现出极大的应用潜力。本文综述了基于煤炭及其衍生物为前驱体的各类零维纳米碳材料的制备方法和性能,并对其在照明显示、电化学储能、光/电催化等方面的应用进展进行总结,指出目前存在的问题与挑战及其解决策略,最后对其未来发展进行了展望。这为促进煤炭的高附加值转化和利用以及大规模制备煤基零维纳米碳材料提供理论和实践支持。     

碳材料在锂离子电容器中的研究进展

锂离子电容器作为一种新型电化学储能器件,由于具有高比能量、高比功率和长循环寿命等优点,已经在电动汽车、轨道交通和新型储能系统等领域获得应用示范。作为锂离子电容器的核心组成部分,电极材料对器件性能的发挥起到了决定性的作用。碳材料由于具有较高的电化学活性,可以有效地提高锂离子电容器的电化学性能。本文综述了碳材料作为锂离子电容器电极的最新研究进展,并对其发展的前景进行了展望。     

多孔炭材料设计合成及电化学储能应用

多孔炭材料具有导电性好、结构稳定、资源丰富、价格低廉的天然优势，既可直接作为电极材料，构建炭基电化学储能器件，又可与非炭电活性材料复合，起到传输电子、缓冲体积膨胀及调节界面反应的作用，在电化学储能器件中一直发挥着不可或缺的作用。结合本文作者课题组的研究工作，本文总结了多孔炭制备及孔结构和形貌的调控方法，分析了各方法的优缺点；并以超级电容器、锂离子/钠离子电池和锂硫电池为代表，阐述了多孔炭材料在电化学储能领域的作用及应用研究现状，讨论了电化学储能器件对多孔炭材料的结构与性能要求，指出了多孔炭在电化学储能应用中存在的局限性，并对多孔炭在这些储能领域的研究和发展趋势做出展望。     

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...     

多孔碳吸附分离CO_2研究进展

多孔碳材料由于其高比表面积、低密度、较高的热稳定性以及化学稳定性而被广泛应用于气体吸附、储存与分离、催化剂载体和电极材料等诸多领域,因此多孔碳材料成为研究人员关注的焦点。本文综述了活性炭、碳分子筛和碳纳米管等多孔碳材料对CO_2吸附分离性能的研究进展。还介绍了多级孔碳在吸附CO_2中的研究进展。指出了多孔碳材料作为CO_2的吸附剂的不足,并对CO_2吸附分离及其吸附剂的发展进行了展望。     

石油焦预氧化对多孔碳结构及电化学电容特性的影响

利用双氧水和硝酸对石油焦进行预氧化,考察其对石油焦基多孔碳孔结构、表面化学性质及电化学电容特性的影响。研究发现,硝酸预氧化对石油焦基多孔碳影响较大,可以提高材料的介孔含量及氧含量,不仅可以提高材料的赝电容,而且可以增强电极材料在水系电解液中的浸润性,从而提高比电容和倍率特性。     

五氧化二钒的制备及其在离子电容器中的应用

电化学电容器是一种新型绿色储能器件,在替代能源和能量储存与转化系统发展过程中发挥着重要作用.五氧化二钒由于具有高的理论比容量、价格低廉,原料丰富等优点得到了国内外能源领域科研工作者的广泛研究.本文对电化学电容器的分类、应用以及电极材料的研究进展进行了简单介绍,并总结了V2O5电极材料的制备方法以及其在离子电容器中的应用...     

碳纳米管及其应用研究

碳纳米管的发现是碳团簇领域的又一重大科研成果,探讨了碳纳米管的结构、特性、活化方法,评述了这种纳米尺寸的新型碳材料在电化学器件、氢气存储、场发射装置、碳纳米管场效应晶体管、催化剂载体、碳纳米管修饰电极领域的应用价值,展望了碳纳米管的介入对全球性物理、化学及材料等学科界所带来的美好前景。     

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...     

富氧多孔炭的合成及其在电化学储能中的作用

多孔炭在电化学储能器件中具有不可或缺的作用。本文主要介绍了富氧多孔炭材料的物理化学特性、表面含氧官能团的种类及表征方法;总结了富氧多孔炭常见的合成方法并分析了各种方法的优缺点;以超级电容器和锂/钠离子电池为例,阐述了近年来富氧多孔炭材料在储能应用方面的研究进展,探讨了含氧官能团在储能过程中的作用机理;指出了富氧多孔炭应用于电极材料时高比容量与高导电性能相互制约的问题,提出理性设计多孔炭结构中含氧官能团的类型及数量,可以在保持多孔炭电化学稳定性的同时,为多孔炭提供丰富的氧化还原活性位,提高其与电解质的亲和性,从而提升储能器件的能量密度;并展望了含氧官能团原位表征技术的开发与材料先进结构组分的设计等富氧多孔炭储能电极的未来发展方向。     

表面化学反应控制制备多级结构电极材料及性能

超级电容器和锂离子电池等储能设备的研究和开发日益受到人们的关注。对于超级电容器和锂离子电池等储能设备,其电化学性能主要取决于电极材料,因此高效储能材料的制备成为开发高效储能设备的关键。本文主要介绍了多级结构过渡金属氧化物基电极材料的制备及性能,重点阐述了本实验室近年来在研制高性能超级电容器和锂离子电池方面的相关工作:基于表面化学反应控制制备多级结构金属氧化物、金属氢氧化物/碳嵌入式纳米杂化物以及多种三维结构的多元复合电极材料,表现出优异的电化学性能。     

有机金属骨架材料在电化学储能领域中的研究进展

金属有机骨架材料（MOFs）由于其高比表面积、可调孔结构以及多样的组成等引起了学者们的极大关注,尤其在电化学储能领域取得了较大的研究进展。本文综述了近几年MOFs基材料在锂硫电池、锂离子电池和超级电容器等电化学储能领域中的应用。详细介绍了MOFs及其复合材料作为锂硫电池正极载体时与活性物质的作用机理,探讨了MOFs对活性物质硫的物理封装和化学配位作用。此外,阐述了MOFs衍生碳材料因独特孔结构、较强导电性和丰富活性位点等作为电极材料时对电池性能的提升。最后对MOFs基材料在电化学储能中的研究前景作出了展望,指出MOFs基材料中杂原子比例的控制和孔道设计是未来研究的重点。     

高性能碳基储能材料的设计、合成与应用

电化学储能器件的性能很大程度上决定于其电极材料。碳材料具有来源广泛、化学稳定性好、易于调控、环境友好等优点,被广泛应用于各类能量存储系统,但仍存在能量密度低、倍率性能差等问题。本文从碳材料孔结构调控、杂原子掺杂、与金属氧化物复合三个角度,综述了构建高性能碳基储能材料的设计合成策略,介绍了其在锂/钠离子二次电池、超级电容器等领域的研究进展,对几种方法策略的优缺点进行了总结,并对未来的研究方向进行了展望。本文对高性能碳基储能电极材料的设计开发具有积极意义。     

新能源化工技术

发展新能源是实现“碳中和”战略目标的必由之路。本文首先勾画出可再生能源转换利用基本途径,指出新能源化工技术研究的理论基础是电化学工程、光化学工程、生物化学工程、分子化学工程、系统工程和人工智能等;其次,以可再生能源制氢、燃料电池发电与化学品共生、太阳能转换过程为例,阐明可再生能源资源转换中的化工问题;第三,通过对锂离子电池和钠离子电池中多元过渡金属氧化物正极材料及其电极制备过程开发,揭示电化学储能材料与器件制造过程工程特性;第四,介绍了化工系统工程和人工智能在电池状态预测模型构建、综合能源系统管理、光-储-充系统集成与优化运行中的应用。最后,根据各种案例分析,归纳出新能源化工研究的本质是将新能源转换与储存中涉及的“生物/光/电化学反应”,从实验室放大到规模化生产装置,阐明反应中的传质、传热和传荷机理及其反应工程特性。对未来新能源化工技术研发,从“共性科学问题”和“关键技术”两个层面提出了若干研究方向以供参考。     

R&D considerations for the performance and application of electrochemical capacitors

Research and development (R&D) of electrochemical capacitors is discussed in terms of material characteristics and device performance and testing. Various chemistries and technologies being developed are identified and the status of and problems associated with each of the technologies are discussed. The technologies considered include those using various types of carbon and pseudo-capacitive materials such as metal oxides. What is needed to make the various electrochemical capacitor technologies cost competitive with batteries for different applications and markets is also considered.Electrochemical capacitors (especially double-layer capacitors) are intrinsically high power devices of limited energy storage capability and long cycle life; batteries are basically energy storage devices, which can be designed and used as relatively high power devices with a sacrifice in useable energy storage capacity. Both electrochemical capacitors and high power batteries are designed with thin electrodes, materials having nano-scale characteristics, and a minimum resistance. Much of the research on electrochemical capacitors is concerned with increasing their energy density with the minimum sacrifice in power capability and cycle life for deep discharges. Of special interest has been the development of advanced carbons with specific capacitance (F/g) significantly greater than the present values of 150-200 F/g in aqueous electrolytes and 80-120 F/g in organic electrolytes. Cost continues to be a major obstacle to the development of large markets for electrochemical capacitors particularly for vehicle applications. The development of lower cost carbons appropriate for use in electrochemical capacitors is underway by several speciality carbon suppliers. The goal is to reduce the cost of the carbon to $10-15/kg.     

自支撑活化三维分级多孔碳阳极的制备及其在MFCs的应用

微生物燃料电池是一种可以从污水中直接回收能量的新型装置。然而,还有很多问题限制了它的广泛应用,其最大的困难在于输出功率密度低。阳极材料对于提高其功率密度和能量转换效率非常重要。本文基于生物质原料,利用化学试剂活化结合热处理,制备得到了一系列具有分级孔结构的自支撑活化三维碳基阳极。这种自支撑三维阳极具有优异的导电性、良好的电化学活性、出色的传质扩散以及优良的微生物相容性。其中,6mol/L KOH溶液处理得到的三维阳极具有最优的电化学活性和最佳功率输出,其最大功率密度高达121.45W/m³,是处理前的1.8倍。此研究为构筑高效功能三维碳基MFCs电极材料提供新思路和新方法。     

多级孔碳在锂硫电池正极中的研究进展

锂硫电池因其理论能量密度高、原材料丰富、成本低廉等优点而受到广泛关注。然而硫正极电导率低、体积膨胀、以及脱嵌锂过程中多硫化物产生的穿梭效应等问题限制了锂硫电池的商业化应用。其采用导电材料作为硫载体,一方面可缓解体积膨胀,另一方面可改善正极导电性,同时一定程度上限制多硫穿梭。多级孔碳由于具有导电性优良、结构稳定、孔径及形貌可控等优点,被认为是一种理想的硫载体。从锂硫电池的发展背景出发阐述了多级孔碳作为硫载体的研究意义,首先介绍了多级孔碳材料的制备方法如硬模板法、软模板法和活化法等,进一步介绍了碳材料中的微孔、介孔及大孔在锂硫电池中提升导电性、稳定结构和抑制多硫穿梭效应的作用机理,最后对多级孔碳作为硫载体推进锂硫电池的发展前景进行了展望。