煤基石墨烯及其复合材料制备研究进展

以煤为原始材料制备煤基石墨烯是最近的研究热点，价格低廉，为清洁高效发展煤基新材料提供了新方向，是降低石墨烯成本的研究发展趋势。石墨烯比表面积大，光生电子空穴对产率高且复合率低，主要应用在光电、催化、储能和生物医药等领域，通过复合可进一步提升煤基石墨烯的市场价值，主要介绍了煤基石墨烯材料及煤基石墨烯复合材料的制备方法，并对煤基石墨烯材料未来发展的方向进行了展望。     

煤基石墨烯/炭纳米纤维复合材料的制备及其电化学性能

作为一种高性能新型储能器件,超级电容器具有功率密度高、充电时间短、绿色环保等诸多优点,决定超级电容器性能的关键因素是电极材料的性能。以煤为原料,通过高温热处理、化学氧化及等离子体还原技术制备得到煤基石墨烯;进一步将煤基石墨烯与聚丙烯腈(PAN)通过静电纺丝技术复合制备得到煤基石墨烯/炭纳米纤维(PM-CG)复合材料,以期借助于石墨烯所具备的高导电性、电子迁移率等性能获得具有优良电化学性能的电极材料。采用物理吸附仪、扫描电镜以及透射电镜等仪器对所制备的炭纳米纤维进行了表征,并通过电化学工作站研究了其作为超级电容器电极材料的电化学性能。结果表明,煤基石墨烯成功掺杂到炭纳米纤维中,所制备的PM-CG复合材料在6 mol/L KOH电解液中的比电容值可达225.1 F·g~(-1),是同样条件下纯PAN炭纳米纤维比电容值的2.57倍。     

基于氧化锌和石墨烯超级电容器材料的研究进展

超级电容器是一种间于化学电池和普通电容器之间的新型储能器件,具有广阔的应用前景。而电极材料是决定超级电容器性能好坏的关键因素之一。文章阐明了氧化锌/石墨烯复合材料作为超级电容器电极材料的优势,从氧化锌/石墨烯复合材料的制备工艺及特点两方面分别介绍了国内外氧化锌/石墨烯复合材料的研究进展,对氧化锌/石墨烯复合材料的研究发展趋势进行了探讨。     

石墨烯材料在锂离子电池中的应用与前景

石墨烯作为一种新型纳米材料,以其特殊的二维单层延伸碳结构、出色的导电性、导热性、韧性及强度等优异性能,在功能材料、能源等多个领域有着广泛的应用前景。其中石墨烯在锂离子电池电极材料的优化改进方面受到了人们的重视,将石墨烯材料用作电极材料或与其他材料的复合能够在一定程度上发挥优势,对电池性能的提升有一定的效果。本文主要介绍石墨烯材料在锂离子电池中的应用及优势发挥,通过对石墨烯结构、性能的分析,简要地分析总结了石墨烯在锂离子电池正极材料、负极材料等方面的应用,从而分析目前石墨烯材料的优势发挥和重点的研究方向,并对石墨烯在锂离子电池领域的应用前景进行一定的展望,为未来石墨烯电池的制备和发展提供参考。     

磁性氧化石墨烯的制备方法及其复合材料的应用研究

以四氧化三铁粒子作为磁性材料负载在氧化石墨烯上,得到的材料同时具有氧化石墨烯和磁性材料的特性,这也使的该复合材料能在多领域得以应用。本文综述介绍了氧化石墨烯、四氧化三铁及磁性氧化石墨烯的制备方法和磁性氧化石墨烯及其复合材料在医药、生物、电化学和在水溶液吸附的应用,以及展望了其在医药、生物、光化学、能源储能、信息传输和微电子等方面的研究发展趋势。     

含磷石墨烯复合材料制备方法及其应用

介绍近年开发的石墨烯含磷锂离子电池正极材料、人工生物陶瓷复合材料、柔性电极材料、磷酸盐纳米复合材料等制备技术和应用情况。指出含磷石墨烯复合材料发展方向和对策。     

石墨烯在锂硫电池中的应用

锂硫电池具有很高的能量密度[2 600(W·h)/kg],其正极材料硫具有储藏丰富、对环境友好等优点,因此锂硫电池成为下一代二次电池的研发重点。然而,硫的高绝缘性、反应过程中体积的变化以及中间产物多硫离子溶解等难题,使其目前很难实现商品化。石墨烯具有超高的导电性和优异的力学性能,其与硫制成的复合材料作为电池正极材料可以有效地解决上述问题。从石墨烯–硫复合材料、石墨烯–碳–硫复合材料、石墨烯–聚合物–硫复合材料、石墨烯–氧化物–硫复合材料等方面出发,总结了石墨烯在锂硫电池中作为正极材料的最新进展,并且提出了未来石墨烯在锂硫电池中应用的研究主要在探索石墨烯简捷的制备方法、研究石墨烯新的应用方式、开发多种材料复合等方面。     

钯/石墨烯复合材料的制备及其性能表征

石墨烯常被用于储能器件的电极材料,然而采用化学方法制备的石墨烯其实际应用性能远低于其理论值。有鉴于此,本文提出了利用惰性金属钯纳米材料解决石墨烯实际应用中存在的电导率差和易产生团聚的问题。制备的钯/石墨烯复合材料具有优异的导电性能,比单一石墨烯材料具有更高的电导率,这表明金属钯纳米颗粒显著改善石墨烯片层间的堆叠团聚以及结构缺陷问题。此外,研究了金属钯纳米颗粒对于钯/石墨烯复合电极材料功率密度的影响。     

煤基功能炭材料的制备及应用

基于分子化学工程和纳米材料科学的技术理念，发展和应用煤基功能炭材料，对于实现煤炭资源清洁利用以及高附加值煤炭产业升级具有重要意义。煤是由芳香族和氢化芳香族基团组成的、具有三维(3D)交联网络结构的天然材料。独特的分子结构特性赋予煤(煤的衍生物)具有合成多种煤基功能炭材料的巨大潜力。近20 a来，煤基功能碳材料取得了很大进展，对其进行全面总结，有利于明确煤炭及其衍生物制备功能碳材料的现状和发展方向。利用分子剪切、化学气相沉积、电弧放电、静电纺丝等技术手段，实现了零维到三维煤基功能碳材料的可控制备，系统梳理了煤基石墨烯炭量子点、炭球、炭纳米管、炭纤维、煤基石墨烯及煤基多孔炭的研究现状。重点总结了多维煤基炭功能材料在储能、催化、界面分离等领域的优势和不足。分析讨论了煤基功能炭材料面临的可控度低、分子结构复杂以及合成手段难以规模化应用等问题，以期为新型煤基功能炭材料的设计、制备和应用提供一定的参考和启示。     

石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法及应用进展

选择合适的方法可以制备出石墨烯/碳纳米管复合材料并且使得它们之间能够产生一种协同作用,使其物理化学性能同时增强。近年来,石墨烯/碳纳米管复合材料在超级电容器、储能电池、电化学传感器、材料增强增韧、污染物吸附处理等方面的应用受到人们广泛关注。对石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法及应用进展进行了综述,并对其发展前景进行了展望。     

石墨烯材料在水中重金属检测中的应用

近几年,石墨烯及其复合材料的制备及应用受到广泛关注,在环境污染物检测方面取得了显著进展,尤其是水中重金属分析方法的研究。本文综述了各类石墨烯材料用于水中重金属离子检测的研究现状,着重分析了石墨烯改性电极的制备、性能及其电化学检测方法的机理和优缺点。发现石墨烯材料的优异电子传输性能,使其在重金属离子电化学测试方法开发方面具有天然优势,有助于实现在线、原位、实时检测水体中重金属离子;但是石墨烯改性电极研究刚刚起步,存在诸如抗干扰能力和选择性差、电极重复使用性能差、实际应用研究少等问题,有必要继续开展石墨烯修饰的新型复合电极制备,进一步提高电化学测试方法的选择性和抗干扰能力,增加电极使用寿命和非常规环境下的应用研究,拓展石墨烯基复合电极的应用范围等。     

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。     

锂离子电容器碳正极材料的研究进展

锂离子电容器是一种采用电容型正极材料、电池型负极材料进行组装的储能器件,结合了锂离子电池与超级电容器两者的优点,兼具高能量密度、高功率密度和长循环寿命。但是由于锂离子电容器还存在正负极动力学过程以及容量不匹配的问题,大大影响了锂离子电容器的电化学性能。通常锂离子电容器的功率密度取决于负极材料,而能量密度取决于正极材料,因此为提高锂离子电容器的能量密度,还需发展具有高比容量和高导电性的正极材料。目前,碳材料因具有低成本、来源广泛、高比表面积和丰富的孔道结构等特点,是一种极具应用潜力的电极材料。综述并分析了各种碳材料(包括活性炭、模板炭、石墨烯和生物炭等)作为锂离子电容器正极材料的电化学性能与优缺点,最后对锂离子电容器正极材料的研究提出了建议与展望。     

新型碳材料与聚烯烃复合材料研究进展

最近二十多年,由于新型碳材料（包括富勒烯、碳纳米管和石墨烯等）在很多方面具有优异的性能,开辟了诸多新颖的应用领域。本文综述了碳纳米管和石墨烯在聚烯烃树脂中的应用,通过物理共混和原位合成法形成复合材料,提高了聚烯烃材料的力学性能、结晶和熔融性能、热稳定性和导电性等,复合材料在场发射显示器件、储氢材料、电池、超强超韧复合材料、显微镜探头、超级电容器、电子枪、纳米电子器件、传感器等诸多领域已取得了较大的突破。     

石墨烯基复合材料在新能源转换与存储领域的应用现状、 关键问题及展望

石墨烯具有独特的二维结构、较大的理论比表面积、高载流子迁移率、高杨氏模量以及高热导率等特性,一直以来被视为新能源转换与存储领域的潜在应用材料。这些优势使其可以与一种或多种高活性的无机/有机材料通过共价键/非共价键进行复合,并通过协同效应来改善材料自身的缺陷,实现材料的性能最优化,进而拓展了其应用范围。因此,如何设计并合成具有一定功能作用的石墨烯基复合材料,构筑新型石墨烯结构,满足能源及其相关领域对于材料相关性质的要求,成为石墨烯材料领域的研究热点方向之一。本文综述了近年来石墨烯基复合材料的设计思路及该类材料在新能源转换与存储领域上的应用现状,并对其在各领域存在的关键问题进行了总结。最后,对石墨烯在各领域今后的研究和发展方向进行了展望。     

Multifunctional composite materials for energy storage in structural load paths

Abstract

This paper presents an overview of the research performed to date by a Swedish interdisciplinary team of scientists striving to develop multifunctional composite materials for storage of electric energy in mechanical load paths. To realise structural batteries from polymer composites, research pursued on carbon fibres for use as negative electrode in the battery as well as on polymer electrolytes for use as polymer matrix in the composite is reported. The work on carbon fibres comprises characterisation of the electrochemical capacity of commercial carbon fibre grades and how this is affected by mechanical load. Co-polymers are studied for their multifunctional performance with respect to lithium ion conductivity and stiffness. Also, rational processing of these polymer electrolytes and the effect of processing on their properties are addressed.     

焦粉的高附加值利用

评述了煤基焦粉在生产合成气、制备活性炭、焦炭以及作为燃料和锂离子电池阳极材料等方面的研究现状,介绍了纳米炭材料的合成过程及其电化学性能。指出,煤基焦粉是制备锂离子电池阳极材料的理想碳源之一,从焦粉制备锂电池阳极材料是实现焦粉高附加值利用的有效途经。     

金属有机框架材料在锂硫电池的应用前沿进展

锂硫电池是一种具有高理论比容量（1675mA·h/g）和能量密度（2600W·h/kg）的锂二次电池,被认为是最具前景的高储能二次电池体系之一。但硫的导电性差、多硫化物的穿梭效应等是阻碍锂硫电池实际应用的关键。本文聚焦于锂硫电池的发展趋势,概述了锂硫电池面临的挑战和金属有机框架（MOF）材料潜在的解决方案。同时,在突出MOF材料多孔结构、富活性位点和功能配体等优势特点之外,也辩证地分析了其存在的导电性差等问题。综述了一系列MOF材料的设计和制备,包括自支撑MOF材料、MOF碳复合材料、MOF（导电）高分子复合材料、MOF衍生碳材料、MOF衍生金属/碳复合材料,同时阐释了MOF材料对于锂负极侧枝晶的抑制作用,深入阐释其构效关系,希望对于相关领域的研究者有所启发,以促进新能源新材料领域的理论和技术进步。     

Defect engineering on the defluorinated MWCNTs@SnO2@N-doped carbon composite for enhanced lithium storage performance

When tin oxide (SnO₂) is used in the anode of lithium-ion batteries, its capacity decreases dramatically due to poor conductivity and volume effects during the electrochemical cycle. Although composites with traditional carbon-based materials can improve this shortcoming, the low capacitance of such materials still limits the capacity of the composites. Therefore, we applied defect engineering to SnO₂/C composite electrodes for the first time, and prepared D-MWCNTs@SnO₂@N–C composite electrodes with hollow rod structures. Defects were constructed in the carbon materials to promote electron diffusion and ion storage active sites. The hollow structure can adapt to the volume change that occurs during Li-ion insertion/desorption. In addition, the detachment of F atoms and the insertion of N atoms, which are chemical processes that occur on the surface of carbon materials, promote an increase in surface porosity and defect density, thereby providing additional lithium storage sites. The double carbon effect caused by defect engineering provides a multidimensional transport path and rapid migration rate for Li-ions, which enables the electrode to display excellent electrochemical performance; thus, this work could lead to the preparation of next-generation anode materials with high energy storage capacity, high rate capability and high cycle stability.