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。

采用两步炭化法和熔盐模板法制备N、S共掺杂煤基硬炭及共储钠性能

硬炭因资源丰富、结构稳定及安全性高等优势,已成为钠离子电池常用阳极材料。其中,煤基衍生硬炭受到了广泛的关注。本工作以长焰煤为碳源,硫脲为氮硫源,NaCl为模板,通过两步炭化工艺和杂原子掺杂相结合的方法合成了N和S共掺杂的煤基硬炭(NSPC1200)。两步炭化过程在调节碳微晶结构和扩大层间距方面发挥了重要的作用。N和S的共掺杂调节了炭材料的电子结构,赋予其更多的活性位点;此外,引入NaCl作为模板有助于孔结构的构建,有利于电极和电解质之间的接触,从而实现Na+和电子的有效传输。在协同作用下,样品NSPC1200表现出优异的储钠能力,在20 mA g^(−1)电流密度下呈现314.2 mAh g^(−1)的可逆容量。即使在100 mA g^(−1)下循环200次,仍保持224.4 mAh g^(−1)的比容量。这项工作成功实现了策略性调整煤基炭材料微观结构的目标,最终获得了具有优异的电化学性能的硬炭阳极。

碳基电催化剂缺陷工程用于CO_(2)还原反应

电催化二氧化碳(CO_(2))还原是通过电能将温室气体CO_(2)转化为高附加值化学品。碳基材料因其成本低、活性高的特点,被广泛应用于包括电催化CO_(2)还原在内的多种电化学反应中。近年来,通过缺陷工程在碳基材料中构建不对称中心优化材料的物理化学性质,提高电催化活性这一策略引起了研究人员的广泛关注。本文综述了缺陷碳基材料的类型、构建方法和缺陷表征方法,并进一步梳理了缺陷工程的优势、各种缺陷构建方法和表征方法的优缺点。最后,对缺陷碳基材料在电催化CO_(2)还原中面临的挑战和机遇进行了展望。相信本文能为缺陷碳基材料在CO_(2)还原中的发展提供针对性的建议。

低阶煤基炭材料研究进展

低阶煤因其储量丰富、富含多环芳烃有机物、含碳量高、成本低等特点,被认为是炭材料的优质前驱体。然而,由于不同低阶煤的灰分、微观结构、界面的差异,导致了煤基炭材料结构、性能难以有效调控的问题。近年来,研究人员提出了低阶煤基炭材料微观结构、表界面调控的有效方法。本文重点总结了低阶煤制备吸附活性炭、电容炭、硬炭、石墨和纳米炭材料的差异化策略,进一步讨论了煤种和工艺对煤基炭材料的微观结构、界面特性和官能团种类等的影响。同时介绍了煤基炭材料在吸附、超级电容器和碱金属电池中的应用。最后,展望了低级煤基炭材料未来研究的方向和挑战。

高比能快充型钠离子电池炭负极:进展与挑战

钠离子电池具有优异的快充能力与低温特性,加之钠元素资源丰富、成本低廉的优势,已成为下一代非资源限制型高效储能体系的首选。无定形炭材料作为钠离子电池实用化进程的关键负极材料,具备较高首次库伦效率、低嵌钠平台及稳定性好等优点。然而,目前无定形炭负极存在平台储钠动力学差以及高平台容量与高平台电位无法兼得的问题,导致钠离子电池的快充性能、能量密度以及安全特性难以全面兼顾,严重阻碍了钠离子电池的产业化进程。本文聚焦制约钠离子电池碳负极发展的关键瓶颈,分析了无定形炭平台储钠各基元步骤的动力学行为,从电极-电解液界面和无定形炭微观结构调控两方面梳理了构建高比能快充型钠离子电池的工作进展,并探讨了影响平台储钠动力学与平台电位的关键要素,最后针对钠离子电池碳负极的发展方向与关键挑战进行了简要评述和展望,以期推动实用型钠离子电池碳负极材料的发展。

生物质基分级多孔碳材料的制备及新能源领域应用研究进展

分级多孔碳材料(HPCs)具有不同尺寸的孔道结构,其中微孔提供大的比表面积和丰富的活性位点,而介孔和大孔为粒子传输提供所需的快速通道,在新能源领域中展现出卓越的应用潜力。目前,已开发的分级多孔碳材料种类很多,但是许多材料存在合成步骤繁琐、工艺复杂和原料或前体要求高等问题。因此,从科学和经济的角度来看,选取合适的碳源和简便绿色的制备方法对功能化多孔碳材料的合成尤为关键。生物质作为一种来源广泛、含碳丰富且可再生的资源,成为了制备分级多孔碳材料的理想前体。介绍了分级多孔碳材料的结构特征,综述了生物质基多孔碳材料的制备方法和原料种类。根据生物质原料自身具有的多样性,可设计多样化的孔结构,通过物理活化和化学活化提升多孔碳材料的比表面积和孔体积,并采用N2物理吸附仪、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及拉曼光谱仪(Raman)对材料结构进行表征。此外,综述了生物质基分级孔碳材料在超级电容器、锂离子电池等新能源领域中的应用前景,简述了多孔碳材料孔结构和比表面积在储氢及释氢中的影响,表明孔结构发达、比表面积更高的碳材料在实际应用中表现出更优异的性能。最后,展望了未来的研究方向,为后续高性能生物质基分级多孔碳的研究提供了指导。

可膨胀石墨的制备方法、膨胀机理及应用

膨胀石墨由于其质量轻、高柔韧性、高比表面积、高孔隙率和较强的吸附能力,作为密封材料、吸附材料、保温材料、阻燃材料和包装材料等应用广泛。可膨胀石墨作为膨胀石墨的前驱体,低成本、绿色制备方法和研发成为目前石墨领域的重点研究课题之一。对可膨胀石墨的结构和性能、膨胀反应原理、制备方法及其主要应用领域进行了综述,详细地介绍了化学氧化法、电化学方法、超声氧化法、气相扩散法、熔盐法等制备可膨胀石墨方法,为其下游产品膨胀石墨的制备、应用和开发提供借鉴。

聚合物基石墨烯防腐材料研究进展

简单分析了石墨烯/聚合物防腐机理,重点阐述了石墨烯及其衍生物在聚合物基防腐涂料中应用的研究进展,并对其在防腐涂料中的应用前景进行了展望。

废旧三元锂电池石墨负极电化学除杂及其性能研究

随着新能源汽车迅速发展,动力锂离子电池应用越来越广泛,大量锂电池也迎来退役高峰期,废旧锂电池的回收综合利用引起各国高度关注。废旧锂电池石墨负极层状结构基本未变化,因此回收时不需高温石墨化,只需关注其内部杂质的去除。本文将废旧石墨负极进行热处理、超声分离和酸浸处理后,创新性地采用电化学处理将内部金属杂质深度去除。对比不同回收阶段的石墨,发现石墨中有机杂质的存在会严重影响各项电化学性能,微量Cu、Fe等无机杂质的存在对初始放电比容量影响不大,但会降低石墨的循环稳定性。最终回收的石墨内部主要金属杂质含量低于20 mg/kg,在0.1 C倍率下放电比容量达到358.7 mAh/g,循环150圈后容量保持率为95.85%。对比已报道的废旧石墨回收方法,此方法可深度去除石墨负极内部杂质,解决了目前酸碱用量大、除杂不彻底、能耗高等问题,回收再生石墨负极电化学性能较好,为废旧锂电池石墨负极提供了一条新的回收再生路径。

氧化石墨烯和石墨烯的高浓度加工、致密化及应用

由紧密堆叠的石墨烯片组成的致密石墨烯组件具有出色的化学稳定性和优异的力学、热学和电学性能。致密石墨烯组件不存在多孔石墨烯气凝胶中密度低、力学强度低、导电性差和导热性差等问题,是未来便携式电子和智能设备的理想材料。本文对制备方法进行了总结,包括利用机械分散、蒸发浓缩、离心浓缩和液相剥离法获得的高浓度氧化石墨烯(GO)和石墨烯分散液,以及利用真空辅助过滤、界面自组装和压制成型法获得的二维(2D)致密石墨烯基薄膜和三维(3D)致密石墨烯基结构,并评估了各种方法的优缺点。此外,还总结了致密石墨烯基组件在储能、热管理和电磁干扰(EMI)屏蔽方面的应用。最后,概述了致密石墨烯组件在未来研究中面临的挑战和前景。本综述为探索和开发大规模、低成本的制造技术和面向应用的致密石墨烯组件提供参考。

以MoS_(2)修饰的3D打印还原石墨烯气凝胶制备微型超级电容器电极

微型超级电容器(MSCs)具有高的功率密度和卓越的循环性能,广泛的潜在应用,因而受到诸多关注。然而,制备具有高表面电容和能量密度的MSCs电极仍然存在挑战。本研究使用还原石墨烯气凝胶(GA)和二硫化钼(MoS_(2))作为材料,结合3D打印和表面修饰方法成功构建了具有超高表面电容和能量密度的MSCs电极。通过3D打印技术,获得具有稳定宏观结构和GA交联微孔结构的电极。此外,采用溶液法在3D打印电极表面加载MoS_(2)纳米片,进一步提高了材料的电化学性能。具体而言,电极的表面电容达3.99 F cm^(−2),功率密度为194μW cm^(−2),能量密度为1997 mWh cm^(−2),表现出卓越的电化学性能和循环稳定性。这项研究为制备具有高表面电容和高能量密度的微型超级电容器电极提供了一种简单高效的方法,在MSCs电极领域具有重要的参考意义。

气流粉碎干燥对碳纳米管水分含量的影响

【目的】制备锂离子电池正极导电浆料中水分含量(质量分数,下同)极低(<10-3)的碳纳米管,研究对碳纳米管物料水分含量的影响因素。【方法】利用LNJ-12A型气流磨对碳纳米管湿物料进行超细粉碎干燥;通过改变气流磨的分级机转速、引风机转速、喷嘴喉部直径、粉碎腔体积,分析不同参数对碳纳米管物料水分含量的影响。【结果】在综合考虑能耗和实际工况下,当单因素变量为分级机转速4800 r/min、引风机转速2400 r/min、直喷嘴喉部直径4.5 mm、粉碎腔体积从1.14×10^(-2) m^(3)增加至23.56×10^(-2) m^(3)时,碳纳米管干燥后的水分含量分别为8.45×10^(-4)、6.68×10^(-4)、6.88×10^(-4)、5.89×10^(-4)。【结论】适当增大分级机转速,减小引风机转速,使用直径合适的直喷嘴,增大气流磨粉碎腔体积,对碳纳米管的水分干燥效果会产生有益影响,相同干燥次数下碳纳米管物料水分含量更低,且达到水分要求时的干燥次数更少。

孔结构对硬碳储钠性能影响研究进展

凭借独特的结构特性,硬碳被认为是最有希望推动钠离子电池产业化的负极材料。硬碳的储钠性能除了与其层间距和化学组成有关,与纳米孔道也密切关联,具有超微孔、大孔容、低比表面积及闭孔的硬碳,可以减少固体电解质界面膜对储钠的影响,利于钠离子的嵌入/脱出,设计并调控硬碳孔结构已成为提升钠离子电池性能的关键点之一。通过选择合适的前驱体材料,调整热解工艺参数(升温速率、热解温度),改进预处理(物理活化、化学活化)方法,掺杂杂原子,包覆涂层等手段可以有效实现孔结构的调控。利用先进的表征手段结合理论计算实现硬碳材料孔结构的合理设计,制备低成本、高容量、高循环稳定性的负极材料,将是未来钠离子电池的发展方向。

高石墨化度多孔炭的制备及其乙烷/乙烯分离性能

乙烷(C_(2)H_(6))与乙烯(C_(2)H_(4))的高效分离对于制备聚合物级C_(2)H_(4)至关重要,需要开发选择性高和稳定性好的C_(2)H_(6)/C_(2)H_(4)吸附剂。本文以酚醛树脂为前驱体,FeCl3为铁源,通过在室温下聚合及800ºC下炭化的方法制备了高石墨化度多孔炭(GC-800,GC=Graphitized Carbon),并利用Vienna Ab-initio Simulation Package(VASP)计算证实了石墨化的多孔炭表面与C_(2)H_(6)分子间的结合能更高。石墨化度的增加可以有效提高多孔炭对C_(2)H_(6)的吸附能力,但高温下Fe的催化石墨化过程会破坏多孔炭的微孔结构,从而降低C_(2)H_(6)/C_(2)H_(4)的分离能力。通过调控炭化温度,实现了对多孔炭的石墨化度与孔隙结构的协同优化。结果表明,GC-800具有高的石墨化度,sp^(2)C的含量高达73%,比表面积高达574 m^(2)·g^(-1)。在298 K和1 bar的条件下GC-800对C_(2)H_(6)的平衡吸附容量为2.16 mmol·g^(-1),C_(2)H_(6)/C_(2)H_(4)(1∶1和1∶9,v/v)Ideal Adsorption Solution Theory(IAST)选择性分别达到2.4和3.8,显著高于大多数报道的高性能C_(2)H_(6)选择性吸附剂。动态穿透实验表明GC-800可以从C_(2)H_(6)和C_(2)H_(4)混合物中一步获得高纯度的C_(2)H_(4)。动态循环测试证实了GC-800具有良好的循环稳定性,含湿条件下GC-800仍能高效分离C_(2)H_(6)/C_(2)H_(4)。

pH响应生物质功能材料的制备及其变色与油水分离应用

利用3-氨丙基三乙氧基硅烷对虾青素和2-羟基-1,4-萘醌进行偶联修饰,并引入棉纤维浆粕,通过抽滤-挤压的方式构筑pH响应生物质变色材料;采用红外光谱、X射线衍射分析和X-射线光电子能谱等检测手段对pH响应生物质变色材料进行性能表征;探究了其在不同酸碱性环境下的变色性能及变色可逆性。该变色材料对水相及油相展现出的不同润湿行为测试证明其具有突出的超亲水/水下超疏油性能,并展现出良好的油水分离效果。

一步法与分步法活化对氮掺杂煤沥青基多孔碳电储能性能的对比

分析了一步法与分步法在制备氮掺杂煤沥青基多孔碳材料的结构和储电效能对比。研究表明,一步法因其简便的操作步骤和低能耗而适用于成本敏感的应用,且在使用三聚氰胺作为氮源时,该方法制备的材料展现出优异的电化学性能;分步法制备过程更为复杂和耗能,但其优势在于能够精确控制材料的微观结构和化学性质,尤其是在使用硫酸铵作为氮源时,显示出更佳的电容特性。

酸皮基磷光型碳点的制备及防伪应用

以浸酸山羊皮为碳源、硼酸为硼源,采用热解法制备了磷光型碳点(P-CDs)。探讨了浸酸山羊皮含量、反应pH、反应温度和反应时间对P-CDs余辉时间的影响。采用有机元素分析仪、SEM、EDS、TEM、FTIR、XRD对样品进行了表征,并评价了P-CDs的防伪应用。结果表明,在浸酸山羊皮含量(以3 g硼酸为基准,下同)4.10%、反应pH为7、反应温度为225℃、反应时间为7.5 h的条件下,制备的P-CDs的余辉时间达到12s;该材料的最佳发射波长为520 nm,对应明亮的青绿色余辉。P-CDs平均粒径为4.42 nm,具有典型的石墨结构,硼原子成功地掺入到碳点中,形成了C—B、B—O等共轭链结构,稳定了三重激发态,延长了余辉时间。

Absorption properties and mechanism of lightweight and broadband electromagnetic wave-absorbing porous carbon by the swelling treatment

Bioderived carbon materials have garnered considerable interest in the fields of microwave absorption and shielding due to their reproducibility and environmental friendliness.In this study,KOH was evenly distributed on biomass Tremella using the swelling induction method,leading to the preparation of a three-dimensional network-structured hierarchical porous carbon(HPC)through carbonization.The achieved microwave absorption intensity is robust at-47.34 dB with a thin thickness of 2.1 mm.Notably,the widest effective absorption bandwidth,reaching 7.0 GHz(11–18 GHz),is attained at a matching thickness of 2.2 mm.The exceptional broadband and reflection loss performance are attributed to the 3D porous networks,interface effects,carbon network defects,and dipole relaxation.HPC has outstanding absorption characteristics due to its excellent impedance matching and high attenuation constant.The uniform pore structures considerably optimize the impedance-matching performance of the material,while the abundance of interfaces and defects enhances the dielectric loss,thereby improving the attenuation constant.Furthermore,the impact of carbonization temperature and swelling rate on microwave absorption performance was systematically investigated.This research presents a strategy for preparing absorbing materials using biomass-derived HPC,showcasing considerable potential in the field of electromagnetic wave absorption.

生物炭的制备及应用研究进展

生物炭是一种由生物质热解或氧化裂解而成的碳质产物,具有多样化的原料来源、可持续的制备方法和广泛的应用前景。文章将对生物炭的原料选择、制备工艺、物化特性及主要应用领域进行综述,并展望其在环境保护和可持续发展方面的潜力及面临的挑战。

碳基材料的Z型和S型异质结光催化清洁能源综述

碳纳米管/纳米纤维、石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨炔、碳量子点和富勒烯等炭材料因具有高导电性、优异的稳定性和生物相容性等独特性能,近年来受到广泛关注。在炭材料中构建Z型和S型异质结已成为在能量转换应用中提高光催化效率的一种有效策略。本文综述了光催化制氢和CO_(2)还原等清洁能源的基本原理,阐述了它们各自的机理和优势。此外,还讨论了不同类型的炭材料以及其中Z型和S型异质结的合成和构建,强调了它们在促进电荷分离、减少光生载流子复合损失和扩大光谱响应范围方面的作用。以太阳能燃料生产为重点,讨论和总结了碳基Z型和S型异质结在光催化制氢和还原CO_(2)方面的最新进展。最后,讨论了目前碳基光催化剂领域的瓶颈和挑战,并对该领域的未来发展提出了有价值的见解。