炭气凝胶在电化学能源材料中的应用研究进展

炭气凝胶是一种新型、轻质、多孔的非晶态纳米材料,具有在纳米尺度可控和剪裁的连续三维网络结构.简单介绍了炭气凝胶的制备工艺,详细综述了炭气凝胶在电化学超级电容器、燃料电池和锂离子电池等电化学能量储存与转换系统中的主要应用研究进展.     

纳米多孔材料炭气凝胶及其在电吸附领域的应用

炭气凝胶作为一种新型具有特殊无定型结构的功能材料引起了各国研究者的极大兴趣.随着电吸附理论的发展,炭气凝胶日益成为具有诱人发展前景的电吸附材料.阐述了炭气凝胶的发展、研究动态及应用前景,探讨了电吸附理论及其基本原理,着重就炭气凝胶在电吸附领域的工业应用进行论述.     

炭气凝胶为电极的超级电容器电化学性能的研究

炭气凝胶电极的电化学测试表明,炭气凝胶具有性能稳定、充放电效率高、适合于大电流充放电等优良性能.炭气凝胶储电的影响因素主要来自于比表面积、孔容和孔结构分布的综合作用.孔容较大,平均孔径较宽时,储电能力较大,且大孔容对电极材料储电是相当有利的.在高比表面积活性炭中添加不同比例的炭气凝胶,可以提高电极的比电容,炭气凝胶含量为15％时,电极比电容最高.     

生物质基炭气凝胶复合材料在超级电容器中应用的研究进展

生物质基炭气凝胶环境友好、成本低廉,不仅具有稳定性高、导电性好、比表面积大和孔隙结构可调节的特点,还兼具力学性能稳定、弹性好的优势,是制备复合材料的一种优良基底材料。近年来,研究人员利用生物质基炭气凝胶的这些特点,通过负载理论比电容较高的金属化合物、导电聚合物和导电性能良好、力学性能稳定的石墨烯等材料以及掺杂杂原子的方法开发了一系列复合材料,并将其应用在超级电容器中,取得了一定的进展。本文综述了生物质基炭气凝胶复合过渡金属化合物、导电聚合物、石墨烯以及掺杂杂原子的方法,分析了不同制备方法的优势与弊端,总结了不同种类的生物质基炭气凝胶复合材料在超级电容器领域的应用,最后针对生物质基炭气凝胶复合材料的制备及在超级电容器应用中所面临的问题,对未来发展趋势进行了展望。     

炭气凝胶力学性能增强方法研究进展

炭气凝胶是一类衍生自有机气凝胶的新型多孔炭材料,兼具传统气凝胶低密度、高孔隙率、高比表面积及低热导率等优异特性,以及炭材料耐酸碱、惰性气氛下耐超高温以及良好导电性等一系列优点,在超高温隔热、电化学、吸附、储氢等领域具有广阔的应用前景.然而,纯炭气凝胶质脆易碎、强韧性较差,极大地限制了其工程实际应用.本文首先从炭气凝胶骨架强化出发,介绍了通过优化制备工艺、聚合物交联及构建多重网络骨架结构来实现炭气凝胶力学性能增强的研究进展,然后从增强体复合强化出发,论述了通过添加纤维和碳纳米材料实现炭气凝胶增强、增韧的研究进展,最后提出了其未来可能的发展方向.     

炭气凝胶及其研究进展

经溶胶－凝胶、超临界干燥和炭化过程制备的炭气凝胶是一种新型轻质纳米级多孔无定形炭素材料，具有许多优异性能和广阔应用前景。本文综述了气凝胶的发展概况，总结了炭气凝胶的制备方法、性能及用途，分析了目前存在的问题和发展前景。     

炭气凝胶结构的形成和控制

炭气凝胶是一种新型的多孔炭材料,具有可调控的独特的孔结构和良好的导电性,可应用于超级电容器、高效吸附材料、催化剂载体等.本文研究了酚醛基炭气凝胶纳米结构的形成过程和控制方法.炭气凝胶的孔结构主要取决于其前驱体--有机气凝胶.有机气凝胶结构源于溶胶-凝胶聚合中的微相分离过程,相分离经历了从成核--生长--亚稳分解的过渡,在成核--生长区停留时间的长短决定了气凝胶的骨架结构和孔结构.微相分离过程受到酚醛团簇的化学结构和溶剂环境的影响,通过调控酚醛团簇的化学结构和溶胶-凝胶聚合的溶剂环境,可以实现有机气凝胶的纳米结构调控,结合干燥和炭化控制,可以实现炭气凝胶结构的有效调控.     

常压干燥法制备炭气凝胶

炭气凝胶是一种具有交联状结构的新型纳米多孔材料,它是用溶胶－凝胶法和超临界干燥工艺制成的有机气凝胶（RF）经炭化得到的。它具有比表面积大和电导率高等特性,可用作超级电容器和可充电电池理想的电极材料。通过优化传统制备炭气凝胶的工艺,成功地在常压条件下制备出了高RC比（间苯二酚为催化剂的摩尔比）的RF气凝胶和炭气凝胶。用扫描电子显微镜（SEM）、比表面积测试与孔径分布（BET）等方面对其微结构进行了研究。结果表明,常压干燥法制备的炭气凝胶具有纳米网络结构和大比表面积。用常压干燥代替了超临界干燥,大大降低了制备成本,扩展了其应用前景。     

石墨烯/炭气凝胶的制备及其结构与性能研究

以间苯二酚(R)和甲醛(F)为炭前驱体原料, 通过溶胶-凝胶法制备石墨烯/炭气凝胶复合材料。采用XRD、Raman、SEM和N₂吸附/脱附等对样品进行结构表征。结果表明: 石墨烯为R和F的聚合提供形核场所, R和F首先在氧化石墨烯(GO)表面聚合, 随着RF含量的增加, 复合炭气凝胶(RF)结构从石墨烯薄片层为骨架的三维网络, 经RF基炭球包裹于石墨烯的网络结构, 最终转变为球形团簇交联的三维网络。石墨烯/炭气凝胶复合材料的比表面积随着RF的增加先增大后减小。当GO与RF质量比为1︰100时, GO/RF-100用作超级电容器电极材料, 在6 mol/L KOH电解液中的比电容达169 F/g, 具有较好的电容特性。     

炭气凝胶电极电吸附脱盐性能的研究

以间苯二酚和甲醛为原料,通过溶胶-凝胶反应、超临界干燥、炭化等工艺合成制备出炭气凝胶,对炭气凝胶的微观结构进行了表征,并研究了炭气凝胶电极在不同电压和在不同浓度NaCl溶液中的电吸附性能。实验结果表明炭气凝胶电极具有很高的吸附效率,在20min内基本达到吸附平衡。随着外加电压的加大,处理溶液浓度的升高,炭气凝胶电极吸附平衡时间减小,单位吸附量增加,吸附单元内电流增加。     

炭气凝胶的制备及其在超级电容器中的应用研究进展

综述炭气凝胶的制备工艺,介绍炭气凝胶在超级电容器中的应用,论述了炭气凝胶制备工艺-结构-电极性能的关系.     

掺杂钛炭气凝胶电极的制备及电吸附脱盐性能的研究

以间苯二酚、甲醛、钛酸丁酯为原料,分别采用乙醇、异丙醇和水作为溶剂,通过溶胶-凝胶、超临界干燥、高温炭化制备掺杂钛炭气凝胶。通过XRD和TEM分析表明,以乙醇为溶剂可以制备出均匀掺杂锐钛矿晶型的TiO2纳米粒子的炭气凝胶。将制得的掺杂钛炭气凝胶电极应用于电吸附模块进行电吸附脱盐实验,考察了掺杂钛量、电压、溶液浓度对电吸附的影响,以及掺杂钛炭气凝胶电极的循环再生性能。结果表明掺杂TiO2可以极大地抑制物理吸附和提高电吸附量,掺杂20%TiO2的炭气凝胶单位电吸附量是不掺杂TiO2时的4.5倍,其总吸附量接近11mg/g,是一种理想的电吸附电极材料。在1.5V电压下溶液浓度的提高可以提高吸附量,并且经过12次吸附再生过程后掺杂钛炭气凝胶电极的电吸附性能仍然保持稳定,可循环再生性能良好。     

木质素酚醛基炭气凝胶的制备及电化学性能

以木质素、苯酚和甲醛为原料,NaOH为催化剂,溶胶凝胶法制备了木质素酚醛基有机凝胶,经CO2超临界干燥及高温炭化得到了炭气凝胶(LPCA)。采用扫描电镜(SEM)、比表面及孔结构分析仪表征了材料的结构,通过恒流充放电测试了炭材料的电化学性能。结果表明,制备得到的炭气凝胶以微孔和中孔为主,比表面积达356.6m2/g,首次放电比容量为583.94mAh/g,充放电循环30次比容量未见明显的衰减。     

室温条件下乙腈为溶剂炭气凝胶的制备与机理分析

与传统炭气凝胶制备不同,在室温条件下以乙腈为溶剂,间苯二酚和甲醛为前驱体,盐酸为催化剂,采用溶胶-凝胶、超临界干燥结合高温炭化工艺制备炭气凝胶(密度低至约50 mg.cm-3)。红外光谱、比表面积和孔径分布、扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射等测试表明,所制炭气凝胶是一种类石墨结构的非晶态材料,具有纳米骨架网络结构,比表面积达1 300 m2.g-1。对比不同配比气凝胶的SEM发现,气凝胶的颗粒尺寸为40 nm～70 nm。分析溶胶-凝胶过程中的温度变化和乙腈在凝胶化中作用得知,由于盐酸的催化和反应放热共同作用,实现了室温下间苯二酚和甲醛的加成和缩聚反应,并最终形成凝胶;乙腈在反应中起着一种分散剂的作用。     

常压干燥制备炭气凝胶及其电化学行为的研究

以甲酚为原料，添加适量的间苯二酚，在氢氧化钠催化作用下与甲醛聚合，经溶胶凝胶、溶剂置换、常压干燥和900℃炭化过程可制备纳米多孔材料炭气凝胶。N2吸附测试表明所制备炭气凝胶BET比表面积高于500m^2／g，在8nm～20nm范围具有集中的孔径分布，适合于做双电层电容器的电极材料。采用电化学阻抗谱测试电极的电化学行为，结果显示炭气凝胶电极在1mol／L的H2SO4电解液中的体积比电容接近70F／cm^3，质量比电容最高达97F／g。     

负载Ni炭气凝胶的制备及结构性能研究

以间苯二酚、甲醛为原料,添加适量的十二烷基苯磺酸钠,再加入不同浓度的乙酸镍溶液,在85℃水浴中聚合;经溶胶-凝胶、溶剂置换、常压干燥和1000℃氮气气氛下热解,得到负载不同含量金属Ni的炭气凝胶.利用透射电镜(TEM)、扫描电境(SEM)、X射线衍射(XRD)、比表面积及孔径分析(BET)和直流充放电测试等手段,对比讨论了负载不同含量金属Ni对炭气凝胶的结构和性能的影响.结果表明,这种方法可以均匀地将Ni纳米粒子分散于炭气凝胶中;适量的金属Ni可使发气凝胶的比表面积及充放电性能得到显著提高;如负载Ni含量过高则炭气凝胶石墨化程度增加.     

超临界石油醚干燥和超临界二氧化碳干燥在制备有机和炭气凝胶中的比较研究

热固性酚醛树脂—羟甲基三聚氰胺经历聚合反应、溶胶—凝胶、超临界干燥和裂解过程生成了有机和炭气凝胶。比较了超临界石油醚干燥(240℃、6．0MPa下1h)和超临界二氧化碳干燥(60℃、10．0MPa下7d)在制备有机和炭气凝胶过程中的作用。结果发现：超临界石油醚干燥时间比超临界二氧化碳的显著短，虽然前者制备的有机气凝胶的BET比表面和中孔孔容比后者小，但前者制备的有机气凝胶在热裂解过程中的热稳定性比后者好，因此，超临界石油醚干燥制备的炭气凝胶的BET比表面和中孔孔容均比超临界二氧化碳的大。超临界石油醚干燥可以替代超临界二氧化碳干燥来制备炭气凝胶。     

炭气凝胶为电极的超级电容器的研究

采用低分子线性酚醛树脂-糠醛为原料通过溶液．溶胶-凝胶途径成功合成了炭气凝胶．探讨了结构对电化学性能的影响。采用直流循环法测定炭气凝胶为电极的超级电容器的电化学性能,结果表明,炭气凝胶电极在0．5mA充放电时电极的比电容为121F／g．充放电效率为95％．具有性能稳定、充放电效率高等优良性能。     

亲水基团对有机和炭气凝胶孔结构的影响

热固型酚醛树脂、三聚氰胺、间甲酚和甲醛水溶液在碳酸钠催化下,通过溶液-溶胶-凝胶过程合成有机水凝胶,有机水凝胶经溶剂置换、超临界干燥和裂解形成了有机气凝胶和炭气凝胶.在固定酚醛树脂浓度、间甲酚/酚醛树脂、甲醛/三聚氰胺、碳酸钠/酚醛树脂比值,改变三聚氰胺/酚醛树脂比值的条件下,研究了亲水基团对有机气凝胶和炭气凝胶孔结构的影响.结果表明:亲水性的三聚氰胺可增加分子间作用力,有利于凝胶的稳定;但增加三聚氰胺会加大有机气凝胶裂解过程中的质量损失,不利于凝胶的稳定.二种因素协同作用决定着炭气凝胶的孔结构、孔容和比表面.     

苯酚-间甲酚-糠醛基炭气凝胶的制备及微结构控制

以苯酚、间甲酚和糠醛为原料,在正丙醇溶剂中以盐酸为催化剂经溶胶-凝胶过程合成了醇凝胶,直接超临界正丙醇干燥得到有机气凝胶,在氮气保护下裂解制备出富含中孔的炭气凝胶.用IR、N2吸附、SEM、TEM等表征气凝胶的结构特征,考察了问甲酚苯酚摩尔比对凝胶结构的影响.结果发现:提高间甲酚的含量能够增强聚合物的交联密度,减小聚合物与溶剂的相溶性,缩短相分离时间,有利于得到较小的纳米颗粒和孔径的炭气凝胶.所制得的炭气凝胶平均中孔孔径随间甲酚含量的增加从47 nm逐渐减小至13 nm,BET比表面积和中孔孔容在m-C/P=0.33时达到最大值.