神府烟煤及其煤岩组分制备氧化石墨烯的组成、结构演变

以煤为原料制备石墨烯是一种非常有前景的煤炭材料化、高值化利用途径。针对煤岩组分的组成、结构差异,探明煤岩组分在制备氧化石墨烯过程中的演变规律,是开发煤基石墨烯制备技术的理论基础。利用重选法富集低变质神府煤中镜质组和惰质组,并将富集煤岩组分通过高温石墨化得到石墨化碳,以石墨化碳为前驱体通过改良的Hummers氧化法制备煤基氧化石墨烯。利用元素分析、红外光谱、X射线衍射、拉曼光谱、扫描电镜、透射电镜以及原子力显微镜等研究煤及其煤岩组分在制备氧化石墨烯过程中的组成和结构演变规律。结果表明炭化处理使煤有机大分子结构向无定形碳结构转变,高温石墨化使煤有机大分子结构向石墨碳结构转变;惰质组呈片状结构且分子结构中芳香结构单元较多导致石墨化碳微晶尺寸较大,高温石墨化处理后其拉曼光谱的(A_(D1)/A_(G))值为0.382,镜质组高温石墨化处理后的(A_(D1)/A_(G))值为0.686,原煤高温石墨化处理后的(A_(D1)/A_(G))值为0.864;利用富惰质组得到的石墨化碳制备氧化石墨烯厚度尺寸约5 nm;而镜质组的石墨化碳中石墨微晶结构较小,得到的氧化石墨烯尺寸较小,且氧化石墨烯平均厚度超过10 nm;原煤中由于石墨化过程形成棒状结构,较难形成有序片层结构,氧化剥离也难以得到氧化石墨烯。

沥青基多孔炭材料的制备及在超级电容器中的应用进展

沥青是由富含稠环芳烃的系列碳氢化合物及其非金属衍生物组成的复杂混合物,具有较高的碳含量。开发沥青作为炭材料前体,用于制备超级电容器炭电极材料,既拓展了沥青的应用市场及提升其附加值,更是响应国家对于新型能源利用的需求。本文首先对超级电容器的储能机理进行了阐述,探讨了影响超级电容器用炭材料电化学性能的结构因素及规律,概述了沥青的组成、结构模型、来源及其应用。然后综述了沥青基多孔炭用作超级电容器电极材料的研究进展,并对活化法、模板法及熔盐法等方法制备沥青基多孔炭的特点与进展进行了分析,着重对沥青基多孔炭材料的改性研究进行了总结。最后指出了沥青基多孔炭材料作为超级电容器电极材料的发展优势及不足,建议对沥青原料进行预处理联合炭化后脱除金属杂原子,以获得稳定长循环寿命的电容炭;加强对沥青中四组分炭化成炭规律的研究,以提高沥青基超容炭材料的成炭率;KOH活化法与其他活化方法相结合,以期在获得高性能活性炭基础上减少对设备的损耗与环境的影响。

一步法氮掺杂多孔炭制备及其电容性能

以酚醛树脂为碳源,聚氨酯海绵为氮源和炭支撑骨架,通过KOH水溶液为活化致孔剂,采用一步法碳化、活化制备氮掺杂多孔炭(nitrogen-doped porous carbon,NPC)。研究了氮掺杂及KOH不同添加量对NPC结构和电容性能的影响。结果表明:NPC-2.0(KOH用量为2.0 g)具有较高的比表面积(1195 m^(2)/g)和孔体积(0.788 cm^(3)/g)。在三电极体系中,0.2 A/g电流密度下,NPC-2.0比电容可达377 F/g,循环8000次电容保持率仍具有96.8%。两电极体系中,NPC-2.0组装的对称电容器在功率密度为125 W/kg时,能量密度可达6.05 W·h/kg,且充放电10000次后的电容保持率为96.0%。通过一步法原位氮掺杂所得NPC-2.0表现出良好的电容性能,且制备流程短,具有广阔的研发应用前景。

ZIF衍生Fe_(3)O_(4)@NC/石墨烯锂离子电池负极材料研究

为了改善Fe_(3)O_(4)作为锂离子电池负极材料时循环稳定性差的问题,以铁基沸石咪唑酯框架结构材料(Fe-ZIF)为前驱体,使用多巴胺通过聚合反应与其复合,再与石墨烯通过静电吸附作用组装,经过煅烧碳化,制备了Fe_(3)O_(4)@NC/G复合材料。研究结果表明,多巴胺与石墨烯的引入有效提高了Fe_(3)O_(4)在充放电过程中的电化学稳定性。在0.1 A·g^(-1)电流密度下,充放电循环30圈,Fe_(3)O_(4)@NC/G的放电比容量为1005.6 mAh·g^(-1)。当电流密度为2 A·g^(-1)时,经过300圈循环,其放电比容量仍有838.3 mAh·g^(-1)。Fe_(3)O_(4)@NC/G复合材料优异的电化学性能归因于独特的结构设计,这对其他负极材料的构筑提供了一定的参考价值。

α-Fe_(2)O_(3)/炭纳米纤维电极材料的制备及其电化学性能分析

采用电沉积技术将α-Fe_(2)O_(3)均匀负载在静电纺丝炭纳米纤维上,制备α-Fe_(2)O_(3)/炭纳米纤维复合材料。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)以及物理吸附对复合材料进行形貌和结构分析,并通过恒电流充放电、循环伏安、交流阻抗技术考察其作为超级电容器电极材料的电化学性能。结果表明:α-Fe_(2)O_(3)/炭纳米纤维(α-Fe_(2)O_(3)/CNF-3)复合材料相比单纯炭纳米纤维(CNF)有着更丰富的介孔结构,有利于离子和电子的低电阻传输。同时,α-Fe_(2)O_(3)/CNF-3复合电极材料结合了双电层电容和赝电容的优良性能,在电流密度为1A/g下,电解液为6mol/L KOH时,其比电容值可达330.1F/g,是炭纳米纤维电极的3.76倍,并且经过8000次循环后仍能保持91.45%,具有较好的稳定性。

煤基炭纳米材料的构筑及其在储能领域的应用

煤炭清洁高效利用是煤炭产业精细化、高值化发展的必由之路。作为自然界广泛存在的高碳资源,以煤炭为原料开发煤基新型炭材料,拓展煤炭利用新途径是一个具有前景而富有挑战性的课题。近年来,研究者以煤炭及其衍生物为含碳前驱体,设计并构筑了具有丰富形态和结构的纳米炭材料,进一步考察了其在储能、催化、吸附与分离等领域的应用。本文综述了基于煤炭及其衍生物开发新型炭纳米材料的最新研究进展,重点介绍了针对不同煤阶煤制备炭纳米材料的设计合成方法和结构调控策略,讨论了煤基炭纳米材料在二次电池和超级电容器为主的储能过程中的应用。最后,对煤炭材料化利用的未来发展进行了展望,以期为先进煤衍生炭纳米材料的精细设计和可控制备等方面提供新的研究思路。

沥青树脂基复合球形活性炭的制备及研究

以高软化点煤沥青和热塑性酚醛树脂为主要原料,机械混合均匀后,采用悬浮法制备沥青/树脂基复合球形活性炭。使用扫描电子显微镜(SEM)、N2物理吸脱附仪、颗粒强度测定仪,对复合球的表面形貌、孔道结构和机械强度进行表征。实验结果表明:树脂的加入不仅能够拓宽球形活性炭的孔径分布,而且能够有效地提高球形活性炭的机械强度。树脂含量为30%的球形活性炭BET表面积为1049m2/g,总孔容为0.62cm3/g,平均孔径为8.8nm,同时机械强度达6.2N。通过苯的静态吸脱附测试研究了沥青树脂基球形活性炭的吸附性能,结果表明:复合球形活性炭基本上保持了沥青基球形活性炭的快速吸脱附性能,树脂的加入并没有明显延长复合球形活性炭对苯的吸脱附时间。

原卟啉碳点的合成及其在光催化还原CO_(2)/H_(2)O制甲醇中的应用

CO_(2)资源化利用是当前能源与环境领域的研究热点,光催化还原CO_(2)作为一种绿色、温和的转化技术备受关注,其中提高光催化转化过程中光利用效率和降低载流子复合速率是促进CO_(2)光催化还原过程的关键。利用柠檬酸、乙二胺和原卟啉为原料,通过一步水热法制备原卟啉碳点,并考察了其光催化还原CO_(2)性能。研究表明,碳点为3.3 nm左右的球形颗粒,原卟啉以共价键的形式成功引入碳点中,并且碳点中保留了原卟啉结构中的共轭大π键的骨架,增强了碳点催化剂对400~500 nm的光的吸收,降低了光催化还原CO_(2)过程中的载流子复合速率。光催化还原CO_(2)性能测试表明,以含有质量分数为1%原卟啉的碳点作为光催化剂转化CO_(2)为CH_(3)OH的产率达到285.5μmol·g~(-1)·h~(-1),是未添加原卟啉催化剂产率的2.16倍。

煤炭黄腐酸的提取方法及应用研究进展

从低阶煤中提取煤炭黄腐酸对于高效利用煤炭资源,提升低阶煤高附加值具有重要意义。文章介绍了黄腐酸的种类、来源、组成及理化性质,概述了碱溶酸析法、硫酸丙酮法、离子交换树脂法、化学氧化法和电渗析法的提取原理、特点及研究现状,总结了煤炭黄腐酸在化工(吸附、催化、电容器、电池)、医药、农业等领域的研究现状,并针对煤炭黄腐酸组成和结构的确定、提取方法的改进以及表面官能团的调控进行了展望。

Co_(3)O_(4)/CuO微球修饰的三维炭网络及其对储锂过程的强化

以煤基氧化石墨烯(CGNS)为基体,采用两步水热法成功构筑了三维异质结构的Co_(3)O_(4)/CuO/CGNS复合材料,并进一步考察了材料作为负极材料的储锂性能。结果表明:Co_(3)O_(4)/CuO微球表面包覆石墨烯碳层不仅能够强化储锂过程,显著提高复合材料的导电性,而且能抑制其在充放电过程中的体积变化。在0.1 A/g的电流密度下循环100次后,复合材料的可逆容量为941.6 mAh/g;当电流密度增大至1 A/g,经过300次长循环,其可逆容量仍可保持在511.6 mAh/g。Co_(3)O_(4)/CuO/CGNS优异的电化学性能可归因于三维炭网络稳定了电极的整体结构,且异质结构内的协同效应可强化电子和离子的有效传输。

钾离子电池关键负极材料研究进展

钾离子电池作为可持续新型储能技术的代表之一,在储能领域展现出了巨大的发展潜力,但是目前钾离子电池电极材料的研究仍处于初级阶段。本文从钾离子电池负极材料的角度出发,综述了不同类型负极材料的储能机制,并分析了其比容量、倍率性能、循环稳定性等的影响因素及改性方法,并对钾离子电池负极材料的发展方向进行了展望。