电容去离子碳基电极材料的研究进展

电容去离子(CDI)技术具有能耗低、再生效率高、无二次污染、易于操作等优点,在解决水资源短缺和水环境污染方面应用广泛。开发具有高电化学性能和盐吸附能力的电极材料是CDI脱盐的关键。碳材料因其高比表面积、丰富的孔隙结构、优异的导电性和良好的稳定性而被广泛用作CDI电极。本文在介绍CDI技术基本原理的基础上,综述了5类典型碳基电极材料的研究进展,重点是材料设计和改进的吸附性能。对比分析了不同种类电极材料之间的优缺点,探讨了工业化存在的问题及改进方向。     

基于石墨烯及其复合物电极的电容去离子技术研究进展

电容去离子技术是一种高效节能、绿色环保的脱盐方法, 通过施加静电场, 强制离子向两侧电极迁移, 使其被电极表面产生的双电层吸附, 从而达到脱盐的目的。电容去离子技术的关键是高性能电极材料的制备, 要求具有较高的比表面积、合理的孔径分布和良好的导电性。石墨烯具有较高的理论比表面积和优异的导电性, 是一种理想的电极材料。然而由于石墨烯的聚集效应, 实际比表面积远远低于理论值, 将石墨烯制备成三维网络结构或将石墨烯与其他材料进行复合可以克服聚集效应, 提高电极的脱盐性能。本文综述了基于石墨烯及其复合物电极的电容去离子技术研究进展、存在的问题及应用前景。     

超薄MnOx修饰多孔碳纳米纤维及其电容脱盐

MnO₂具有较高的理论比电容而作为良好的电容器材料,但因其导电性和循环稳定性较差,从而限制其电化学应用。本研究以静电纺丝技术制备的多孔碳纳米纤维（PCNF）为载体,经KMnO₄浸泡后,高温退火获得超薄MnO_x层修饰的复合碳纳米纤维（APCNF-MnO_x）。通过接触角、SEM、TEM、电化学表征及电容脱盐测试对比分析了碳纤维多孔结构对MnO_x形貌及电化学性能的影响。电化学测试结果表明：APCNF-MnO_x电极的比电容是退火的MnO_x修饰无孔碳纳米纤维（ACNF-MnO_x）电极的4倍（20 mV/s）。以APCNF-MnO_x为电容器负极材料,成功制得电容器去离子器件,其电容脱盐量达到9.23 mg/g,比ACNF-MnO_x提高了29%。     

锂离子电池用纳米碳材料研究进展

锂离子电池作为最有前景的储能器件之一,已经在便携式电子设备上广泛应用。然而使用传统电极材料,电池的能量密度和功率密度不够高、耐久性差、成本高,限制了其在电动汽车等方面的大规模应用。纳米碳材料的发展为设计适合锂离子电池的新型储能材料提供了机会。纳米碳材料作为一种新型碳材料具有许多独特的性能,包括独特的形貌结构、高比表面积、低扩散距离、高电导率和离子导电性能、可控的合成和掺杂等优点。因此,纳米碳材料在高可逆容量、高功率密度、长循环稳定性和高安全性锂离子电池中具有较大的应用前景。然而,纳米碳材料普遍存在首次库仑效率低、电压滞后等缺点,且纳米碳材料的电化学性能取决于碳材料的形貌和微观结构。解决这一问题最常用的方法主要有:(1)通过对纳米碳材料的形貌和微结构调控来改善其电化学性能;(2)通过异质原子掺杂改善纳米碳材料的电化学性能;(3)将纳米碳与其他储锂材料复合形成复合电极材料。本文主要综述了富勒烯、石墨烯、碳纳米管和多孔碳等四种具有代表性的纳米碳材料在锂离子电池中的最新研究进展,系统归纳了纳米结构和形貌对电化学性能的影响,讨论了纳米碳的合成、电化学储锂性能和电极反应机理。本文还对纳米碳材料未来...     

基于金属有机骨架衍生炭应用于电容去离子电极材料的研究进展

电容去离子(CDI)技术因低能耗、低成本和低污染等优点被认为是新型的脱盐技术,其中的电极材料是CDI模块的核心部件.理想的电极材料应具有分层的多孔结构、良好的表面特性和优异的电化学性能等特点.金属有机骨架(MOFs)衍生炭因其可控的形貌结构、合适的孔径分布和优异的导电性,成为一种有发展前景的CDI电极材料.本文介绍了C...     

纳米碳材料负载过渡金属氧化物用作超级电容器电极材料

与传统能量存储设备相比,超级电容器因具备比电容高、充放电快、绿色环保并且循环稳定性能优异等优点,在移动通信、电动汽车、国防和航空航天领域具有广阔的应用前景,已成为世界范围内的研究焦点。其中,超级电容器的电极材料是其性能的决定因素,常见的超级电容器电极材料包括碳材料、过渡金属氧化物和导电聚合物等。不同的电极材料的电荷储存机理不同,过渡金属氧化物具有典型的赝电容行为,依赖可逆的氧化还原反应和化学吸附/脱附过程来储存电荷,理论比电容高。然而,过渡金属氧化物同时存在导电性能差,循环稳定性不佳的缺点。碳材料主要表现双电层电容特性,依靠材料表面和电解质离子间的可逆物理吸附/脱附过程储存电荷,具有优异的倍率性能,符合实际生产和应用中对于超级电容器器件高寿命的要求,但其自身比电容相对较低。与单一属性的材料相比,复合材料往往表现出更加优异的电化学性能,大量的研究表明,过渡金属氧化物与碳材料的复合是解决上述问题的有效途径。碳材料因具有来源丰富、价格低廉、质量轻盈、比表面积高以及热稳定性好与电化学性能稳定等优点,日益受到重视,是构建赝电容电容器电极的首选基底材料。碳材料结构多样,近年来,零维的碳量子点、碳球,一维的碳纳米管、碳纳米纤维,二维的石墨烯、氧化石墨烯,三维的石墨烯泡沫、碳泡沫/海绵等均被成功地用于构建碳基复合电极材料,并取得了丰硕的成果。零维碳纳米材料具有高比表面积,提供了调节多孔性的灵活度,可以获得适合各自电解质溶液的最优化条件。一维碳纳米结构一般具有高长宽比和良好的电子传输性能,可以促进超级电容器电极的电荷转移。二维碳纳米结构具有比表面积大与导电性高、力学性能优良等特点,具备潜在赝电容行为,并且能增强超级电容器电极间的充放电反应动力学。利用三维导电材料作为模板,沉淀赝电容材料,可以构建高性能超级电容器电极。本文概述了不同维度碳材料负载过渡金属氧化物作为赝电容的电极材料及其电容性能,并对电极材料储能方面存在的不足和未来的研究方向做出了总结和展望,以期为制备性能优良、环境友好和高寿命的超级电容器提供参考。     

智能包装系统用石墨烯基超级电容器的制备

目的 制备具有优异电化学性能的石墨烯/纳米纤维素/二氧化锰复合纤维水系超级电容器。方法 采用超声波分散处理制备氧化石墨烯/纳米纤维素/二氧化锰混合纺丝液;运用湿纺纺丝工艺制备氧化石墨烯/纳米纤维素/二氧化锰杂化纤维电极;通过氢碘酸还原和冷冻干燥处理构建具有多孔结构的石墨烯/纳 米纤维素/二氧化锰复合纤维电极;最后,将其组装成两电极水系超级电容器。结果 在石墨烯/纳米纤维素/二氧化锰复合纤维中,纳米纤维素的添加有效抑制了石墨烯片层的自聚集,并显著提升了复合纤维的亲水性和拉伸强度。二氧化锰的加入显著提升了纤维电极的电化学性能。得益于精心的实验设计,石墨烯/纳米纤维素/二氧化锰复合纤维的拉伸强度为338 MPa。组装后的水系超级电容器具有优异的电容性能和循环稳定性,在电流密度为0.1 mA/cm2时,面积电容为412.5 mF/cm2,循环1500次后,电容保持率为87%。结论 将切实可行的湿法纺丝策略与精心设计的电极结构相结合,制备的石墨烯/纳米纤维素/二氧化锰水系超级电容器为可穿戴便携式储能设备和智能包装能源供应系统的发展提供了良好的参考。     

纳米二氧化锡/三维大孔石墨烯复合电极的制备及其储锂性能的研究

以维生素C(VC)为还原剂,通过溶剂热还原法制备了纳米二氧化锡/三维大孔石墨烯复合负极材料(SnO_2/3DGr)。SEM和TEM测试表明,SnO_2/3DGr具有均匀分布的微米级孔隙,其中SnO_2晶粒尺寸为6~8nm,且均匀分布在石墨烯片层表面。电化学测试表明所制备的SnO_2/3DGr复合电极材料具有优异的电化学性能,该材料在电流密度为100mA/g时,循环100周之后仍然具有1678mAh/g的可逆比容量,在极高电流密度5A/g下,仍然保持405mAh/g的可逆比容量,表现出非常优异的循环稳定性和倍率性能。该材料独特的三维大孔结构以及SnO_2与石墨烯的协同作用,很好地抑制了SnO_2在循环过程中的体积效应,大大改善了SnO_2负极材料的电化学性能。     

聚酰亚胺基氮掺杂碳电极材料的制备及电化学性能研究

由于氮掺杂多孔碳材料不仅保留原有材料的高比表面积、高孔隙率和发达的孔道结构等优势,还兼具杂原子良好的润湿性能和导电性,被广泛应用于超级电容器电极材料的研究。以均苯四甲酸二酐(PMDA)和4,4′-二氨基二苯醚(ODA)为原料,通过水热法,在高温高压的条件下,分子链进行“自上而下”的折叠,形成三维纳米微球结构。借助对纳米球的高温热解,使氮元素保留在碳材料中,得到含有大量微孔和介孔结构的掺杂氮碳微球。当碳化温度达到800℃时,PI碳球具有709.39m²/g的高比表面积和良好的氮掺杂率,很大程度上提高了此类电极材料的比电容和润湿性能。电化学测试表明,当扫描速率为0.5A/g时,电极材料能够达到253.6F/g的比电容,且在电流密度达到10A/g时,电极材料的电容保持率为59.6%。同时,在循环10000次后,比电容保持率出现涨幅达到105%,具有优异的循环稳定性。综上,通过自组装和氮掺杂的有效结合,制备的3D氮掺杂多孔碳微球具有理想的电化学性能,为制备超级电容器电极材料提供了一种可供参考的工艺。     

C/Cu多孔微球固载Co3O4纳米片作为锂离子电池的高性能负极材料(英文)

过渡金属氧化物(TMOs)用作电极材料时,会在循环过程中产生严重的体积变化,并且其自身的导电率也较低,因此它的电化学性能较差.设计和开发独特的TMOs纳米结构并将其与导电碳基底相结合是改善其电化学性能的有效策略.本工作中,我们设计了一种C/Cu多孔微球,并通过原位合成在碳壁上垂直生长Co₃O₄纳米片.作为导电基底,C/Cu多孔微球提供了多尺度孔隙网络和大的电极/电解质接触界面,显著改善了电子和离子扩散动力学.原位合成的Co₃O₄纳米片牢牢地固定在碳壁上,从而提高了复合微球在长期循环中的结构稳定性.得益于独特的结构特征,用作锂离子电池负极材料的C/Cu@Co₃O₄复合多孔微球表现出优异的倍率性能、高充电比容量和出色的循环稳定性.     

基于金属有机骨架衍生炭应用于电容去离子电极材料的研究进展（英文）

电容去离子(CDI)技术因低能耗、低成本和低污染等优点被认为是新型的脱盐技术,其中的电极材料是CDI模块的核心部件。理想的电极材料应具有分层的多孔结构、良好的表面特性和优异的电化学性能等特点。金属有机骨架(MOFs)衍生炭因其可控的形貌结构、合适的孔径分布和优异的导电性,成为一种有发展前景的CDI电极材料。本文介绍了CDI技术和MOFs衍生炭的特点,综述了MOFs衍生炭、改性MOFs衍生炭、杂原子掺杂MOFs衍生炭和MOFs衍生炭复合材料在电容去离子电极材料中发展的最新前沿动态,并总结了MOFs衍生炭电极材料应用于CDI技术的优势及其当前面临的挑战。最后,预测了MOFs衍生炭在CDI电极材料的发展趋势。     

无碱活化的生物质衍生碳：一种适应于多种金属离子的电容脱盐电极材料

电容脱盐是一项绿色环保、低成本、低能耗的新技术,其中,研发高性能的电极材料是该技术的关键所在。本工作以低成本的生物质为原料,采用无需强碱或熔融盐等活化剂的绿色方法制备了介孔生物质衍生碳(NC),制备过程使用的化学试剂均可回收并能再次使用,符合当下绿色发展的理念。将制得的衍生碳作为电极材料应用于电容脱盐领域,研究结果表明,生物质衍生碳中丰富的杂原子缺陷和表面官能团赋予其优异的亲水性和赝电容特性。高通透介孔结构的生物质衍生碳不仅能够有效脱除盐水中的NaCl(在1.2 V的电压下,NC对NaCl的吸附量可以达到49.3 mg·g^-1),而且对Cr³⁺、Co²⁺等金属盐离子也有很好的脱除效果(在20 min内可脱除78.8%盐离子)。本研究可为电容脱盐领域电极碳材料的制备提供一种绿色和谐的方案。     

ZIF-8-PAN衍生多孔碳纳米纤维锌离子混合电容器

采用静电纺丝技术制备ZIF-8-PAN复合纳米纤维，经预氧化和高温碳化制得ZIF-8-PAN衍生多孔碳纳米纤维(ZIF-8-PANC);利用扫描电镜、比表面及孔径分析技术对ZIF-8-PANC的形貌和微结构进行表征，测试作为锌离子混合电容器(ZHS)电极材料的电化学性能。结果表明：ZIF-8-PANC结合碳纳米纤维的高导电性和ZIF-8衍生碳的丰富多孔结构，不仅导电性能良好，同时增大比表面积，得到分级多孔结构，ZIF-8-PANC可有效实现电子、离子的快速传输和锌离子的高容量储存；当电流密度为0.5 A·g^-1时，ZIF-8-PANC电极的比容量达到240 mAh·g^-1,循环稳定性优异。     

Au-Pt纳米颗粒/石墨烯-纤维素微纤维复合电极的制备与电化学性能

石墨烯和金属纳米是优异的导电纳米材料,为构建具有高效活性表面积的电化学传感界面,以玻碳电极作为导电基底,采用滴涂法结合一步电沉积成功制备了Au-Pt纳米颗粒/还原氧化石墨烯-纤维素微纤维(Au-Pt NPs/RGO-CMF)复合材料。SEM、原子力显微镜(AFM)、EDS和拉曼光谱分析表明,Au-Pt纳米颗粒均匀分布在RGO-CMF的薄层上,同时实现了氧化石墨烯(GO)还原为RGO。以铁氰化钾作为氧化还原探针对界面的电化学性质进行研究,在优化的实验条件下(循环伏安法电沉积:电位为?1.2~0 V,周期为20,电解质pH值为6,滴涂GO-CMF体积为8 μL),得到Au-Pt NPs/RGO-CMF复合材料的高效活性表面积(3.54 cm2)远远优于裸玻碳电极(1.52 cm2)。表明构建界面具有高的电催化活性,为传感器的进一步应用提供理论支持。      

纳米结构的氧化钒作锂离子电池阴极材料的研究进展

V2O5具有独特的层状结构,适合于锂离子的存储,与传统的锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂等阴极材料相比,表现出高的理论比容量和功率密度,作为锂离子电池阴极材料备受青睐。但它自身的结构不稳定、电导率低,导致实际比容量远低于理论值,且循环稳定性不能长期维持。正是由于这些制约因素,V2O5作锂离子电池阴极材料还有很大的研究价值。而利用各种制备方法将V2O5制备成具有各种纳米结构的材料,如一维的纳米线、纳米管等,二维的纳米片,三维的纳米空心球、纳米花等,改善材料固有的形貌结构,增大比表面积,增强锂离子在电极材料中的嵌入/脱出性能,提高储锂能力和比容量,同时通过掺杂改性等方法增强材料的导电性和循环稳定性,使V2O5作为锂离子电池阴极材料表现出优异的电化学性能成为可能。介绍了V2O5的晶体结构及其作为电极材料的纳米结构,以及不同的纳米结构对电极材料电化学性能的影响。     

用于超级电容器的高性能石墨烯/CoMoO4复合电极

高性能超级电容器电极材料的开发对于缓解当前的能源危机势在必行,设计和优化混合过渡金属氧化物并研究电化学性能和循环寿命对于超级电容器的实际应用至关重要。在已开发的混合过渡金属氧化物中,由于电活性材料的导电率差并且与电解质的接触受限制,大大限制了所制备电极的电化学性能。我们在本文中提出了一种合成石墨烯/CoMoO_4纳米片的有利设计,使活性材料均匀生长在三维石墨烯泡沫的网状骨架上,充分提高了活性材料的利用率,其独特的结构也增加了电活性材料与电解质界面之间的接触,使赝电容反应充分发生。由于石墨烯的高电子传输速率和CoMoO_4纳米片的高活性,三维复合电极具有出色的电化学性能,具有相对较高的面积比电容(在1 mA cm~(-2)下为2 737 mF cm~(-2))和出色的循环稳定性(在10 mA cm~(-2)下进行4000次循环后,保留原始比电容的81.76%)。这些出色的结果表明,石墨烯/CoMoO_4纳米片复合材料具有巨大的潜力,可作为高性能超级电容器的电极材料。     

不同形貌纳米炭/聚苯胺复合材料对超级电容器电化学性能的影响

通过原位化学聚合制备了不同形貌的纳米炭材料(炭黑,碳纳米管及石墨烯纳米片)/聚苯胺复合电极材料.分析表明:石墨烯/聚苯胺复合材料相比于炭黑/聚苯胺、碳纳米管/聚苯胺复合物及纯聚苯胺,具有产率和比容量高,内阻低及明显提高的循环稳定性和倍率性能.石墨烯/聚苯胺复合材料更好的电化学性能归因于:(a)二维平面结构石墨烯有利于大量聚苯胺在其表面均匀沉积及更多的活性位使聚苯胺和电解液离子接触,从而有利于聚苯胺得失电子促使氧化还原反应的顺利进行;(b)石墨烯间的面接触有利于构建电子的快速传输网络使电极材料具有更低的电阻;(c)石墨烯及聚苯胺层层堆叠结构具有柔性包覆限制作用,可有效防止聚苯胺在充放电过程中因膨胀和收缩而从石墨烯表面脱离.     

可拉伸超级电容器碳基复合电极材料的研究进展

随着便携式和可穿戴电子产品的发展,人们对柔性储能设备的需求越来越迫切。常用的储能设备有锂离子电池、超级电容器等。与锂离子电池相比,超级电容器具有更快的充放电速度、更高的循环稳定性能和更大的比电容等优点。但传统的超级电容器在受到拉伸、压缩等外力作用时,存储功能难免下降甚至丧失。因此,可拉伸超级电容器引起了研究者们的关注。电极是可拉伸超级电容器的重要组成部分,人们通过制备性能优异的电极材料或设计能够抗压缩、拉伸、扭曲等高强度机械力的电极结构来提高电极的电化学性能和力学性能。碳纳米管、石墨烯、碳纤维和碳气凝胶等碳材料属于双电层电容器电极材料,它们虽然比表面积大、循环稳定性强,但仍存在低比电容、低能量密度等缺点。其中,石墨烯更是面临因堆叠团聚而导致的储能性能降低的问题。于是,人们在将碳材料与其他电极材料结合制备碳基可拉伸复合电极材料方面做了许多尝试。高比电容的赝电容电极材料、大比表面积的过渡金属硫化物或高导电性的金属纳米线,都已被发现能够与某些碳材料产生协同互补,形成的碳基复合电极在比电容、循环稳定性和力学性能方面相比单种碳电极材料有明显提高。本文在对比介绍用作可拉伸超级电容器的各种碳材料的优势与不足的基础上,综述了近年来广泛应用于可拉伸超级电容器的碳基复合电极材料的研究进展。     

自支撑纳米硅/石墨烯复合纸柔性电极的制备及其电化学性能的研究

硅作为锂离子电池负极材料具有极高的理论比容量(4200mAh/g),是目前商业化石墨负极材料的数十倍。但是由于在充放电过程中极易发生粉化破碎,导致其循环比容量会迅速衰减。首次通过水热还原的方法制备了自支撑纳米硅/石墨烯复合纸柔性负极材料。SEM表征显示纳米硅颗粒均匀地分散在石墨烯片层中,制得的复合纸电极较纯硅纳米颗粒的电化学性能有大幅度提高,在100mA/g的电流密度下,首周放电比容量4003mAh/g,十分接近硅的理论比容量,且首周库伦效率高达91%。复合纸循环20周后比容量在3300mAh/g左右,50周后仍能维持1000mAh/g左右的比容量。这主要可归功于石墨烯纸电极优异的柔韧性和导电性,有效抑制了纳米硅颗粒的体积膨胀和结构破坏。同时水热还原法较低的还原温度保证了石墨烯纸还原前后厚度变化不大,有利于石墨烯片层与Si纳米颗粒的紧密接触。     

聚丙烯腈基碳纳米纤维在超级电容器电极材料中的应用研究进展

超级电容器是一种介于电池和传统物理电容器之间的新型环保储能器件,近年来得到了研究者的广泛关注。电极材料是超级电容器的核心部分,因此具有更高的研究价值。聚丙烯腈基碳纳米纤维因具有良好的静电纺丝性、较高的碳化产率、优异的纳米结构、超高的比表面积以及优良的导电性和稳定性,已经成为超级电容器电极材料的研究热点。本文主要介绍了聚丙烯腈基交联结构和多孔结构碳纳米纤维电极材料,元素掺杂电极材料以及与碳材料、导电聚合物、金属氧化物复合的电极材料,并对聚丙烯腈基碳纳米纤维电极材料未来的研究方向进行了展望。