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方面的最优组合,提升电极材料电荷存储能力攻克超级电容器能量密度低的问题,同时确保超级电容器耐压能力达到要求。在此基础上,提出提升材料电化学性能和循环稳定性、确保原料来源稳定性和一致性、逐步实现量产的商业化需要等有望取得突破的研究方向。

二维管束状多孔炭材料的制备及在超级电容器中的应用

生物质是优异电极材料的重要来源,植物基生物质在制备多孔炭材料方面具有独特的结构优势。本文以面条菜为原料,KOH为活化剂,探讨了不同比例的KOH溶液对炭材料微观形貌的影响,制备出一系列具有二维管束状的炭材料,通过扫描电镜、X射线衍射和拉曼光谱等物理手段对炭材料的结构进行了深入分析。结果表明当碱碳比为3:1时,炭材料SCLC-3含有微孔-介孔等丰富的孔隙结构,为电解液离子在炭材料中的传输和存储提供了有利条件,在电流密度为1A·g^(-1)时SCLC-3比电容高达290F·g^(-1),经过5000次充放电循环测试电容保留率高达98%,表明炭材料具有良好的循环寿命。将其制作成固态电极材料进行不同角度的弯折,结果显示其电化学性能几乎没有发生变化,呈现出较好的抗弯折性能。

PVP基多孔炭材料的制备及其电容性能研究

以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为新型含氮碳源,采用碳化活化法,制备聚合物基氮掺杂多孔炭材料,重点研究了碳化活化温度对制备炭材料的电化学性能和电容器电池性能的影响。研究结果表明:不同的碳化活化温度对制备炭材料的形貌有一定影响,XPS分析证实N元素成功掺杂在制备的炭材料里。在三电极体系下,制备的炭材料在800℃表现出最佳的电化学性能和电容性能。此温度下制备的炭材料(PVP-800)在0.5 A·g^(-1)电流密度时,比容量可高达319 F·g^(-1);在10 A·g^(-1)电流密度时,材料的比容量为243 F·g^(-1),显示出良好的电容性能和倍率性能。在二电极体系下,组成的超级电容器能量密度最高为6.77 W·h·kg^(-1),在2 A·g^(-1)的电流密度下循环10 000次后容量保留了最原始的90.7%,体现出优良的比电容性能和循环稳定性。

炭材料在电解水制氢耦合有机氧化方面的研究进展

利用可再生能源(太阳能、风能)发电进行电解水制氢是获取“绿氢”的必经之路。然而,目前电解水制氢仍面临电解效率低和能耗高的巨大挑战。通过将电解水体系与热力学上更有利的有机氧化反应耦合是解决上述问题的重要途径,在有效提升阴极产氢效率的同时还可以在阳极获得高附加值化学品(用于进一步分摊并降低制氢成本)。这一新兴领域的发展关键在于制备具有高选择性和高稳定性的催化材料。碳基材料具有来源丰富、比表面积高、孔隙率高等优点,在高性能有机电氧化和电解水析氢催化剂方面引起了科研人员的广泛关注。本研究总结了碳基材料在电解水制氢耦合有机氧化方面的最新研究进展,并讨论了该材料在这一新兴电催化领域的发展前景和面临挑战,以推进新型炭材料的发展。

修饰改性棉秆介微多孔炭材料对甲醛气体的吸附性能研究

炭材料修饰改性是提高炭基材料吸附挥发性气体能力的重要手段。首先使用KOH对棉秆基炭材料刻蚀改性,再使用碳酸钠(Na_(2)CO_(3))和亚硫酸氢钠(NaHSO_(3))进行修饰改性,研究未改性棉秆炭材料(C)、KOH改性棉秆炭材料(C_(k))以及Na_(2)CO_(3)与NaHSO_(3)改性炭材料(C_(k-s))对甲醛性能的影响,采用正交试验方法优化了棉秆介微多孔炭材料的最佳制备工艺,通过比表面积测试、扫描电子显微镜和X射线能量色散谱仪对制备的材料进行了表征。结果表明:C、C_(k)和C_(k-s)平均孔径分别为2.51nm、2.15nm和1.93nm,三者均为介微多孔炭基材料,C_(k)和C_(k-s)对甲醛去除率分别高达84.0%和86.4%,相较于未改性C(甲醛去除率24.1%)均有极大提高;C_(k-s)平均孔径、比表面积和总孔容均小于C_(k),但对甲醛去除率略高于C_(k),说明Na_(2)CO_(3)和NaHSO_(3)对低比表面积炭材料进行修饰改性具有提高其吸附甲醛的能力。C_(k)和C_(k-s)的吸附过程分别符合准一级和准二级动力学模型,为单分子层吸附,理论最大吸附量分别达3.95mg/g和5.78mg/g。

载胺糖基炭材料吸附CO_(2)机理研究

以葡萄糖为原料制备了一系列糖基炭材料(CMS),并将四乙烯五胺(TEPA)负载到炭材料上,得到载胺糖基炭材料(CMS-xTEPA)用于吸附燃煤烟气中的CO_(2)。研究了TEPA负载量、吸附温度和孔结构对CMS-xTEPA吸附性能的影响,并揭示其吸附机理。结果表明,CMS的CO_(2)吸附能力主要与其微孔孔径和孔容密切关联,介孔结构丰富、孔容较大的炭材料更适合作载胺载体。CMS-xTEPA的CO_(2)吸附能力相较于CMS大幅提高,CMS-xTEPA中胺基与CO_(2)反应生成氨基甲酸酯和氨基甲酸盐类物质,且适宜的吸附温度和TEPA负载量可以提升CMS-xTEPA的CO_(2)吸附能力。CMS-2-30%TEPA在75℃、15%CO_(2)+85%N_(2)气氛下具有较好的CO_(2)吸附性能和良好的循环CO_(2)吸附性能,在5次吸附循环后,仍具有3.04 mmol/g的吸附容量。

炭材料在储钠器件负极中的研究进展

在众多的储能器件中,储钠器件凭借钠的资源丰富、价格低廉等优势,非常有希望应用于新一代电化学储能体系。由于电极材料对储能器件的电化学性能至关重要,因此开发性能优异、价格低廉的负极材料来进一步提高储钠器件的电化学性能对其大规模应用具有重要意义。在各种负极材料中,炭材料凭借其独特的结构而具有优异的循环稳定性与倍率性能,有望成为最具潜力商业化的储钠器件负极材料。本文介绍了石墨、无定形炭等目前研究较为广泛的几类炭材料,提出了各个材料的优点、存在的问题及改性方法,总结了近年来炭材料在钠离子电池和钠离子电容器这两类主要的储钠器件的研究进展以及炭材料的储钠机制,最后提出了炭材料在储钠器件领域遇到的问题和挑战,并对其发展前景进行了展望。

含油污泥-软锰矿炭材料对亚甲基蓝的催化降解

本文在含油污泥中掺杂软锰矿热解制备出炭材料,通过XRD、SEM和FTIR对炭材料的官能团、形貌特征和金属负载情况进行表征,并对亚甲基蓝进行类芬顿体系催化降解试验。结果表明,由于软锰矿的掺杂,该炭材料具有催化性能,在35℃温度下,加入196 mmol·L^(-1)H_(2)O_(2)和0.4 g·L^(-1)炭材料,在8 h内对其的降解率可达93.8%。炭材料在降解过程中即刻将亚甲基蓝分解为CO_(2),且其具有较好的稳定性,经过五次循环降解后,炭材料对亚甲基蓝降解率仍能达到91.4%。结合自由基猝灭实验及XPS分析,炭材料/H_(2)O_(2)非均相类芬顿体系降解亚甲基蓝的主要机理为,通过催化H_(2)O_(2)产生羟基自由基·OH,·OH将亚甲基蓝氧化为小分子CO_(2)和H_(2)O,实现对亚甲基蓝的降解。

《新型炭材料(中英文)》简介

《新型炭材料(中英文)》创刊于1985年由中国科学院主管,中国科学院山西煤炭化学研究所主办,科学出版社出版。本刊刊载内容为有关炭材料及其分支学科的基础科学、技术科学和与炭材料有关的边缘学科领域研究的最新成果,设有研究快报、研究论文、研究简报、综合评述等栏目。

生物炭材料应用于超级电容器的研究进展

生物炭具有来源广泛、价格低廉、导电性优异、形貌易调控和物理化学性能稳定等优点,被广泛应用于超级电容器领域中。通过调控炭材料的多孔结构与形貌结构、杂原子掺杂、复合高电容量材料以及材料尺度纳米化等,可不断获得超级电容器综合性能优异的生物炭材料。文章首先阐述超级电容器的储能机理及分类,再总结了不同生物质结构、元素特征和各种生物炭表征技术。在此基础上,从炭材料形貌、孔结构、石墨程度、表面官能团、元素掺杂和材料复合角度总结了生物炭材料超级电容器储能性能提升的优化手段。随后,详细介绍了0D、1D、2D、3D纳米生物炭材料在超级电容器方面的研究进展。为制备高性能超级电容器生物炭电极材料提供了有效的研究参考方向。

多孔炭材料在卷烟领域的研究现状与展望

从多孔炭材料在卷烟中的添加方式、对卷烟的减害作用以及炭材料的改性和新型炭材料开发等方面进行了综述,并对国内烟草行业在该领域未来的研究方向进行了展望,主要内容包括:(1)活性炭在卷烟中的应用集中在滤嘴和炭纸(如含炭成型纸)中,以前者研究最多;(2)常规活性炭在卷烟滤嘴中的应用主要是用于减少主流烟气气相中有害成分的释放量,主要是羰基化合物和自由基等,改性后,减害范围可扩展至氮氧化物、CO等;(3)相比活性炭及其衍生物,碳纳米管等新型炭材料对烟碱和焦油等具有更强的吸附作用;(4)活性炭添加到卷烟滤嘴后能否在真实抽吸条件下降低对消费者的风险水平仍存在争议;(5)基于减害技术的超低危害卷烟开发仍将是烟草行业未来重要的发展方向。

煤液化油渣基多孔炭材料的制备及其电磁波吸收性能

为解决电磁辐射污染问题,开发经济环保的高效电磁波吸收材料制备工艺刻不容缓。碳基电磁波吸收材料因其独特优势而备受关注,但合适的前驱体碳源以及合理孔结构构筑策略仍是其制备面临的难题。本文以资源丰富的煤液化油渣为碳源,通过盐模板辅助策略,利用NaHCO_(3)模板热分解过程中产生的Na_(2)CO_(3)和大量气体实现了多孔炭骨架的定向形成。相互贯穿的多孔结构不仅调节了炭材料的阻抗匹配,还延长了电磁波的传输路径,增强了介电损耗,在多种电磁损耗机制的协同作用下,煤液化残渣基多孔炭材料展现出优异的电磁波吸收能力。在质量分数仅为10%的填充比以及2.03 mm的厚度下,获得的多孔炭材料展现出-60.28 dB的反射损耗值,并实现了5.36 GHz的有效吸收频宽。因此,本文为高性能碳基电磁波吸收材料的开发提供了新的途径,也为煤液化油渣产品的高附加值利用提供了新的思路。

烟煤衍生炭材料的炭化机制及其在锂/钠离子电池中的应用

近年来,人们对利用低温炭化工艺制备煤基无定形炭材料作为锂离子电池(LIBs)和钠离子电池(SIBs)的负极材料产生了兴趣。然而,煤衍生炭材料的炭化机制仍然不太清楚。因此,本文选取烟煤为原料,探究了煤炭到无定形炭材料的化学、微晶和孔隙结构演变过程。随着温度的升高(低于1000℃),材料结构发生局部变化,碳层的迁移和小分子物质的释放导致了层间距(3.69-3.82A)和缺陷密度(1.26-1.90)逐渐增大,并且产生了丰富的纳米微孔结构。当温度升至1000~1600℃时,层间距和缺陷密度开始逐渐减小。在LIBs中,经1000℃炭化制备的样品表现出最佳的电化学性能。在0.1 C倍率测试下可逆容量达到384 mAh g^(-1),在5 C倍率下仍能保持170 mAh g^(-1),表现出优异的倍率性能。在SIBs中,经1200℃炭化制备的样品在0.1 C倍率测试下具有270.1 mAh g^(-1)的可逆容量和高达86.8%的首次库伦效率。本研究为煤基炭材料的精细化制备提供了理论支撑。

沥青基炭材料:结构设计、制备方法及其在储能中应用

沥青具有炭含量高、易石墨化的特点,被认为是制备炭材料的一种很有前途的前驱体。为了生产出具有理想性能的炭材料,必须解决由沥青复杂组成和易于软化的特性所导致的炭材料结构难以控制的问题。最近,研究人员提出了几种有效方法来调控沥青基炭材料的结构。本文总结了沥青基炭材料的结构设计、制备方法及其背后机理的最新进展,同时介绍了其在超级电容器和碱金属离子电池等储能装置中的应用。

活化温度对低阶煤基超容炭材料微晶结构特性的影响

以富油煤这一代表性的低阶煤为原料,采用KOH活化法,将富油煤与KOH按照质量比1∶2混合,在活化温度分别为600℃,700℃,800℃及900℃的条件下制备煤基超容炭材料,并使用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)对煤基超容炭材料进行观测,得到煤基超容炭材料的微晶结构特征参数分布图像,图像经傅立叶变换-反傅立叶变换以及二值化、骨架化等处理,得到煤基超容炭材料微晶结构特征参数分布的定量数据。将不同活化温度下制备的煤基超容炭材料微晶结构特征参数的定量数据进行对比研究,结果表明:在活化温度分别为600℃,700℃,800℃及900℃时制备的煤基超容炭材料的晶格条纹长度平均值分别为0.73 nm,0.77 nm,0.86 nm及0.88 nm;在活化温度分别为600℃,700℃,800℃及900℃时制备的煤基超容炭材料晶格条纹,分别有52.52%,42.11%,48.35%以及56.09%分布在60°~105°晶格条纹角度范围内;分别有70.23%,66.86%,61.29%及59.70%分布在0.10~0.25的曲率范围内;在活化温度分别为600℃,700℃,800℃及900℃时制备的煤基超容炭材料分别有9.16%,10.68%,8.17%及11.99%的堆垛形成。可见随着活化温度的升高,晶格条纹平均长度增大,且晶格条纹取向趋于一致,较小(0~0.10)和较大(0.25~0.35)曲率的晶格条纹占比增多,堆垛数呈现增多趋势。

面向电化学储能的多孔炭材料

多孔炭材料具有质量轻、比表面积大、导电性好和稳定性高的优点,在电化学储能领域得到了广泛的应用。近几十年来,多孔炭材料的结构构筑和功能化设计取得了较大的进步。本文以多孔炭在不同储能器件中的应用发展为导向,结合多孔炭结构设计和功能化发展,综述了其在锂离子电池、锂空气电池、锂硫电池、锂负极保护、钠离子电池、钾离子电池等电化学储能器件中的研究成果和进展,最后总结了多孔炭的结构控制和功能化的策略,并展望了多孔炭材料未来研究的方向和挑战。

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。

元素掺杂生物质炭材料在电化学储能中的研究进展

在“双碳”目标的背景下,新型生物质炭材料的开发及其在电化学储能领域中的应用引起了人们广泛的关注。在各种优化生物质炭材料性能的方法中,元素掺杂能够解决比容量低、稳定性差的问题,为提高生物质炭材料电化学性能提供了一种简单、有效的方法和策略。本文从植物基、动物基和微生物基三方面介绍了元素掺杂生物质炭材料的来源,并根据掺杂元素的种数将元素掺杂生物质炭材料归纳为单元素掺杂和多元素共掺杂。回顾了元素掺杂生物质炭材料在超级电容器、锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等电化学储能器件中的应用,在此基础上分析了其化学组成和微观结构对电化学性能的影响。同时对其今后的发展和商业化前景做出展望,指出掺杂元素的种类和含量的调控、制备方法和工艺的优化、生物质自掺杂属性的激活仍是目前亟待解决的问题和未来的发展方向。

酒糟基炭材料的制备及应用

酒糟是乙醇工业和酿酒工艺产生的主要固体生物质废弃物,具有来源广泛、含碳量高、元素种类丰富等特点。酒糟在经过发酵、蒸馏等处理之后,仍含有丰富纤维素、木质素、粗蛋白和淀粉等物质,是理想的生物质炭材料前驱体。酒糟基炭材料是以酒糟为碳源,通过高温热解和水热处理等炭化方式,以及经过物理、化学等活化方式制备得到的炭材料。因其碳含量高、比表面积大、孔隙结构和元素种类丰富等特点,受到广泛关注和研究。综述了酒糟基炭材料的原料组成、制备方法及其在不同领域的应用,为今后对酒糟基炭材料的进一步研究提供了系统参考。首先分析了前驱体酒糟的来源和组成,不同地区、不同酿造方法产生的酒糟组成有所不同,主要体现为纤维素、木质素和粗蛋白等成分比例,以及N、S、P等元素质量分数的差别。然后总结对比了目前研究中典型的酒糟基炭材料制备方法,包括热解法、水热法和活化方法等,并展望了在未来酒糟基炭材料研究中可采取的先进制备方法。此外,介绍了目前酒糟基炭材料在能源(超级电容器、电池)、环境(重金属离子吸附、污水净化)、农业(土壤改善、缓释肥载体)和催化领域(氧还原、有机污染物降解)等方面的应用进展。最后,对现阶段酒糟基炭材料研究和应用过程中存在的问题及未来发展前景进行了展望。

生物质基炭材料在染料敏化太阳能电池电极领域的研究进展

太阳能电池可将太阳能转化为电能,具有环保、高效等特性,因此受到国内外研究者的广泛关注。染料敏化太阳能电池(DSSCs)是一种备受瞩目的新型太阳能电池,但其所用的炭材料(如石墨烯、碳纳米管等)价格普遍较为昂贵,因此亟须开发高性能且价格低廉的炭材料。本综述旨在阐明生物质基炭材料在DSSCs中的应用策略和发展方向,为更好地促进生物质基炭材料在太阳能电池领域的应用提供科技支撑。生物质基炭材料具有电催化活性高、孔隙可调等特性,且来源广泛、制备简单、稳定性高。为了进一步增加比表面积,可以通过活化制备具有更多孔隙结构的活性炭材料;除了提供有序的分级孔隙结构,大多数生物质原料具有丰富的杂原子,因此杂原子掺杂可以在炭化后直接实现,从而提高生物质基炭材料的导电性;将生物质基炭材料与其他材料复合还可以进一步提高离子/电子迁移效率。这些生物质基炭材料应用在太阳能电池中可以有效地改善器件的稳定性、光电转换效率(PCE)等性能。笔者概述了生物质的来源和结构特性,归纳了生物质基炭材料的制备和修饰方法,并对DSSCs的工作原理进行了介绍,最后系统阐述了生物质基炭材料作为对电极、光阳极等DSSCs核心部件的研究进展和应用现状。