金属硫化物及其复合材料在超级电容器领域的研究进展

随着人们对于清洁能源要求的不断提高，超级电容器以具有超高比电容、高功率密度和长循环等特点引起人们的研究兴趣。超级电容器已经被应用在许多工业领域中。电极材料是决定超级电容器性能的重要因素之一。过渡金属硫化物因其具有独特的电子结构和多型性的特征被广泛用作为电极材料，但其在电化学循环过程中，容易产生穿梭效应和体积变化破坏电极材料的结构，导致倍率性能差、稳定性降低。本文综述金属硫化物的概况及其与石墨烯、碳纳米管、导电聚合物构建复合材料的最新发展，利用水热法、湿化学法，或者电化学法制备金属硫化物与不同组分的复合材料，可改善金属硫化物的电导率与倍率性能。在后续研究中，需要探索更简便、成本较低的方法制备具有分级纳米结构的高性能金属硫化物复合材料。     

高性能超级电容器电极材料的研究进展

超级电容器即电化学电容器,是近年来发展起来的一种新型储能元件,通过离子吸附（双电层电容）或氧化还原法拉第反应（赝电容）导致电荷在电极中的储存,电荷储存机理和纳米材料的快速发展使得超级电容器的性能得到显著提高。介绍了近些年超级电容器电极材料的研究进展,从炭素材料、过渡金属氧化物和导电聚合物这3类基础材料出发,结合纳米技术并由此制得的纳米材料,综合分析了高性能超级电容器及其电极材料的发展趋势。     

聚吡咯/二氧化锰复合材料的合成与性能

聚吡咯制备简便、电导率可控,且比电容高、稳定性好、易于跟其他材料复合,是导电聚合物中一种颇具前景的超级电容器的电极材料.结合二氧化锰成本低、比表面积大、可逆性高、电化学性能稳定、环境友好等优点,采用一步法成功制备了聚吡咯/二氧化锰纳米复合材料.通过傅里叶红外光谱、X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线能量色散谱等测试,对聚吡咯/二氧化锰复合材料的结构和形貌进行表征;并且通过循环伏安法和计时电位法对其进行电化学性能测试.结果表明在电流密度为1A/g时,所合成的聚吡咯/二氧化锰复合材料的电容比聚吡咯大几十倍,达到559F/g,并且保持率达到98.64%,表明聚吡咯/二氧化锰复合材料具有优良的电化学性、良好的可逆性和优秀的稳定性,与其他同类超级电容器电极材料对比具有一定的优势.     

复合材料在柔性电化学储能装置中的应用及研究进展

柔性电化学储能(EES)装置,如锂离子电池(LIBs)和超级电容器(SCs),可集成于柔性电子器件中,在连续的力学形变条件下可为便携式装置的运行提供稳定的电源。柔性EES装置应同时具备较高的柔韧性、能量密度和功率密度,因此适合的电极材料、电解质以及先进的电极结构设计十分重要。近年来,用于柔性EES装置的具有特定组分和独特结构的复合材料得到了广泛的研究,且采用复合材料的装置的弯曲、拉伸和压缩能力远优于单组分材料装置的性能,因此,我们概述了用于柔性LIBs和SCs的柔性电极复合材料以及复合电解质的最新进展,并特别关注复合材料在可穿戴电子器件中柔性EES装置的应用,此外,还简要介绍了实现整个装置柔性和可拉伸性的结构设计,重点介绍了其未来的发展前景和研究方向。     

MoO2/石墨烯多尺度纳米复合材料构筑及其电化学性能

石墨烯具有导电率高、比表面积大以及机械性能优良等特性,因此在超级电容器领域具备极佳的应用前景,但纯石墨烯活性电极材料又面临着比容量相对较低的问题。文章通过一步水热法将零维(0D)二氧化钼(MoO₂)纳米点修饰在2D石墨烯纳米片上,组装形成3D多孔复合材料,实现了0D-2D-3D多尺度材料的构建,并研究了以其作为超级电容器活性电极材料的电化学性能。结果表明,在2 mV/s扫速下,该纳米复合材料的比容量高达499 F/g,显示出优越的容量特性。     

超级电容器复合电极材料应用研究进展

对超级电容器复合电极材料的研究进展进行了综述.超级电容器是一种新型能源器件,性能介于传统电容器和电池之间,具有高能量密度、高功率密度、循环寿命长和污染小等特点.超级电容器的电极材料包括炭材料、金属氧化物和导电聚合物,由于复合电极材料能利用各组分间的协同效应提高整体性能,所以比单纯的炭材料、氧化物以及导电聚合物具有更好的应用前景.     

超级电容器用NiCo2O4复合材料的研究进展

过渡族金属氧化物因具有高理论容量而在赝电容器用电极材料中受到广泛关注,其中纳米结构的三元钴酸镍(NiCo_2O_4)具有比单一镍和钴的氧化物更多的活性位点,在电极表面或近表面发生快速氧化还原反应可储存更多电荷,但NiCo_2O_4自身导电性较差的缺点限制了其实际应用,引入不同维度(一维材料、二维材料、三维材料)的导电增强体与NiCo_2O_4进行复合改性可有效提高其导电能力。对不同材料与NiCo_2O_4复合以提高其电化学性能的研究进行了综述,并对NiCo_2O_4未来的发展进行了展望。     

磷掺杂还原氧化石墨烯/聚苯胺复合水凝胶的制备及性能研究

石墨烯/聚苯胺复合材料作为超级电容器的自支撑电极材料具有巨大的潜力。以磷酸为磷源的水热还原法制备磷掺杂还原氧化石墨烯(P-rGO)水凝胶,再以P-rGO水凝胶为基质在3种溶剂(正己烷、水和四氯化碳)中负载聚苯胺,合成磷掺杂还原氧化石墨烯/聚苯胺(P-rGO/PANI)复合水凝胶。利用X射线衍射、扫描电子显微镜表征产物的微观形貌与结构,运用电化学工作站测试该材料的电化学性能。以1 mol/L的H₂SO₄溶液为电解质,经过1 000圈循环测试后,材料的比电容保持率均为81%以上,表明其有作为超级电容器电极材料的潜质。该研究为开发出低成本、高性能的超级电容器电极材料提供了实验依据和理论指导。     

插层限域工程制备MXene及其复合材料的研究进展

MXene作为一类全新的二维材料(金属碳氮化物的总称),因其本征的纳米层状结构、可调的比表面积、良好的亲水性、优异的导电性和力学性能,使其在可充电电池、超级电容器、光(电)催化剂、透明导电膜、电磁干扰屏蔽和传感器、原油和重金属的吸附剂以及柔性高强度复合材料等众多领域具有广阔的应用前景。近年来,利用插层限域工程制备MXene及其复合材料,是先进功能材料领域的研究热点。主要综述了近几年利用插层反应促进MXene剥离及合成MXene基复合材料的研究进展,比较了不同插层反应合成的MXene及其复合材料的优缺点;同时对于未来MXene及其复合材料领域的发展提出了展望。我们认为MXene及其复合材料的稳定性问题是当前要解决的瓶颈;相信随着人工智能和机器学习技术在材料研究领域的快速发展,MXene材料稳定性问题将会得到解决,并且更多具有良好稳定性的MXene及其复合材料将会被设计和合成出来。     

我校科研成果荣获2020年度上海市自然科学奖三等奖

正5月25日, 2020年度上海市科学技术奖揭晓,我校环境与材料工程学院李靖等老师完成的科研成果"纳米复合高效能量存储与转换电化学材料的构筑及性能调控"荣获上海市自然科学奖三等奖。该科研成果主要以在能量转换与存储等领域具有重大应用背景的典型材料为研究对象,聚焦超级电容器储能、电化学催化的形成机理、微观结构、影响因素和性能优化,探讨纳米复合材料表面、界面物理化学性质对超级电容器储能性能的影响,阐明电化学催化特性与各主要因素直接的关联性,     

石墨烯复合材料的研究进展

石墨烯由于其独特的二维结构和优异的性能,已成为国内外学者研究的热点.对采用不同的方法制备石墨烯复合材料进行了综述,并指出这些复合材料在超级电容器、锂电池、电催化和燃料电池等领域的应用前景.     

聚吡咯复合材料的制备与应用研究

导电聚合物材料因导电率高、质量轻、防腐蚀、电学和光学性能良好等优点引起科研工作者的兴趣。其中,聚吡咯作为典型的导电高分子材料,因其合成条件简单,且具有良好的环境稳定性、环境友好性、电导率变化范围广且可调节等优点而备受关注,但它存在难溶解、难熔融、力学性能及加工性能较差等缺点,限制了其应用。聚吡咯与其他材料复合形成的复合材料,在改善聚吡咯缺点的同时结合了二者的优点,赋予材料新的性能,拓宽了材料的应用领域。简述了聚吡咯的主要合成方法,分析了每种方法的优势与缺点,并对其在超级电容器、气敏传感器和生物组织工程等领域的应用进行了总结,讨论了聚吡咯复合材料所面临的问题及解决方案,对未来的发展进行了展望。     

聚合物/碳纳米管导电复合材料研究进展

在聚合物基体中加入碳纳米管可以制备综合性能优异的导电聚合物复合材料,而具有取向结构的聚合物/碳纳米管复合材料在光、电、磁、生物功能材料中具有潜在的应用前景.基于碳纳米管的电学性质,综述了聚合物/碳纳米管导电复合材料的三种制备方法(熔融共混法、溶液共混法和原位聚合法)以及国内外研究进展,着重介绍了具有取向结构的聚合物/碳纳米管导电复合体系的制备方法,包括模板组装、力场排列、电场排列以及磁场排列等,并分析比较了各种方法的基本原理和特点.最后对聚合物/碳纳米管导电复合材料的应用情况及研究前景进行了初步的探讨.     

MXene/聚苯胺复合块体材料制备及电磁屏蔽性能研究

电磁屏蔽材料是降低电磁辐射污染的重要手段，其中导电聚合物基复合材料广受关/注.选用MXene二维材料为功能基元，利用超声、机械搅拌和冷冻干燥的方法将MXene均匀分散于聚苯胺基体中，并通过放电等离子体烧结技术制备新型MXene/聚苯胺块体复合材料.结果表明，MXene的高电导率和片层堆积结构可有效提高聚苯胺的电磁屏蔽性能.当MXene质量分数为40%时，复合材料电磁屏蔽性能最优，在8.2～12.4 GHz范围内可达24 dB.     

四氧化三锰/石墨烯超级电容器的制备及分析

为了最大程度上保留石墨烯的晶格结构以提高其电导并简化过渡金属氧化物与石墨烯复合物的制备过程,通过氢电弧放电和简易的高温处理成功制备得到四氧化三锰/石墨烯纳米复合材料,并将其用作超级电容器的电极.通过XRD、Raman光谱和TEM对产物的形貌、结构及成分进行了表征.电化学测试结果表明,由该材料制得的超级电容器具有良好的电容性质、出色的电化学稳定性(循环3 000圈后大约保持96%)以及较低的等效串联电阻.同时,四氧化三锰的掺入可使其比电容提高到纯石墨烯电极的3倍.因此,此方法为制备以新型石墨烯复合过渡金属氧化物作为高性能超级电容器电极的研究提供了新思路.     

多孔石墨烯的制备及其在超级电容器中的应用

采用催化刻蚀法,制备出作为一种大比表面积、高导电性的、已被广泛用作超级电容器的二维碳电极材料。石墨烯的多孔材料由于其多孔结构能够加快离子的扩散,使得比电容进一步增加,增强了其双电层电容性能。多孔还原氧化石墨烯(hrGO),并将其用作超级电容器的电极材料。同时利用透射电子显微镜、X射线电子能谱和电化学技术对制备出的hrGO进行表征。利用循环伏安法和恒电流充放电技术对比了未刻蚀孔的还原氧化石墨烯(rGO)和hrGO的超级电容性能。当电位在-1～0 V范围内时,hrGO的比电容要大于未刻蚀的rGO的比电容,当扫速为10 mV/s时,其比电容可达到33 mF/cm~2;当电流密度为0.2 mA/cm~2时,hrGO的比电容仍要大于未刻蚀的rGO的比电容,与循环伏安测试中得到的结论一致。在充放电达到3 000次循环后,比电容保持在初始值的87%。上述结果表明该方法制备的多孔石墨烯具有良好的超级电容性能,适用于超级电容器负极材料。     

利用静电纺丝制备导电纳米纤维的研究进展

静电纺丝是制备超细长丝的有效、便捷技术,制备的导电纳米纤维具有纳米至微米结构形态特征、高比表面积、良好的导电性能,为新型导电材料的设计研究提供了广阔的应用空间,受到基础科学和应用领域专家的兴趣和重视。利用静电纺技术制备导电纳米纤维的原料成分主要有导电高分子聚合物、纳米碳基材料、金属化合物及复合型材料,较多的应用于传感器、超级电容器和光伏电源等领域,是静电纺研究的热点。文中概述了静电纺导电纳米纤维的分类、制备方法和结构性能,并展望了静电纺导电纳米纤维的研究前景。     

钛基材料在超级电容器中的研究进展

超级电容器具有功率密度高、充放电速度快、使用寿命长等优点,被认为是最有前途的储能装置之一.电极材料是影响超级电容器性能的决定性因素,其中,钛基材料以其天然丰度、低毒、低成本和易制备等优点被作为超级电容器的候选电极材料,并得到广泛研究.研究人员通过对其形貌结构的调控,从而达到提高电极材料电化学性能的目的,使其在众多能源功...     

无尘纸@还原氧化石墨烯/聚苯胺复合材料的制备及性能

以低成本的无尘纸为基底吸附氧化石墨烯,再通过水热处理得到还原氧化石墨烯,最后将苯胺原位聚合到无尘纸@还原氧化石墨烯上,制备得到无尘纸@还原氧化石墨烯/聚苯胺复合材料。运用循环伏安法、恒电流充放电法、阻抗法等测试该复合材料的电化学性能。结果表明,与无尘纸@还原氧化石墨烯相比,无尘纸@还原氧化石墨烯/聚苯胺复合材料的电化学性能有显著提高,在扫描速率为20 mV/s时,比电容达到280 F/g。基于无尘纸@还原氧化石墨烯/聚苯胺复合材料组装的电容器有良好的柔性,充电后可点亮白色LED灯。因此,具有柔性与电容性能的无尘纸@还原氧化石墨烯/聚苯胺复合材料能用于超级电容器领域。     

电解质离子尺寸对超级电容器电化学性能的影响

为了研究电解质离子尺寸对超级电容器电解液电化学性能的影响,自制了阳离子不同的2种电解质N,N-二甲基吡咯烷四氟硼酸盐(P_(11)-BF_4)和N-乙基-N-甲基吡咯烷四氟硼酸盐(P_(12)-BF_4),并分别配制成以碳酸丙烯酯(PC)为溶剂、浓度为1 mol/L的电解液;通过循环伏安、恒流充放电、交流阻抗谱研究了电解质离子尺寸对活性炭基超级电容器电化学性能的影响。结果表明:电解质离子尺寸和阳离子对称性共同影响着超级电容器的放电比电容,电解质离子尺寸越小,电解液的耐电压特性越好,超级电容器的工作电压越高;电解质离子尺寸的大小和阳离子的对称性共同影响着超级电容器的电化学性能。