层次孔炭材料的设计制备及其在储能领域的应用(英文)

层次孔炭材料呈合理的微孔-中孔/大孔结构及孔径分布,具有高的电化学活性表面、极短的扩散距离和较高的传质速率,在用作储能器件电极材料时,表现出优异的功率特性。通过综述近来年层次孔炭材料的设计制备及其在储能领域的应用进展,重点介绍了本课题组自2008年以来的研究成果,进而展望了层次孔炭材料的发展方向。指出:层次孔炭材料主要通过模板法或模板-活化联合法制备。这两种方法可以实现炭材料纳米结构的精确调控。最近,开发出来的更简易的免模板法展现出较好的应用前景。

聚合物碳化制备高比表面积微孔炭材料及其CO_2吸附性能

以商业化副产物聚偏二氯乙烯(PVDC)树脂粉末为碳源制备炭材料并研究了298 K时CO_2的吸附性能.研究结果表明,PVDC树脂直接碳化得到比表面积为1220 m^2·g^(-1)且孔径小于1.5 nm的纯微孔炭材料,CO_2在1 bar下的吸附量高达3.97 mmol·g^(-1).在此基础上用KOH对微孔炭材料进行活化处理,发现KOH活化在增大炭材料比表面积的同时能保持高微孔率,但1 bar下的CO_2吸附量适度降低.高压下CO_2吸附量与炭材料的比表面积呈正比,20 bar时在比表面积为2150 m^2·g^(-1)样品上的吸附量为18.27 mmol·g^(-1),这与其他类型高比表面积吸附剂相比都处于较高水平.

聚苯乙烯基层次孔炭材料的超级电容器器件制作工艺研究

利用恒流充放电、交流阻抗和循环伏安法深入研究了电极片质量、粘结剂PTFE的含量、平压压力和电解液KOH浓度等超级电容器器件制作工艺对聚苯乙烯基层次孔炭材料的电化学性能的影响。结果表明这些器件制作工艺对层次孔炭材料的储电性能有非常大的影响。当电极片质量约为9mg,PTFE含量为8%,平压压力为4MPa,KOH浓度为4mol/L时,层次孔炭材料的储电容量最大,可达135F/g;而当器件制作工艺不佳时,其储电容量出现不同程度的下降,最差时仅为56F/g,为最优工艺的41%。

熔盐法制备纳米孔炭材料研究进展

溶胶-凝胶法是制备纳米孔炭材料的传统方法,但是该方法的缺点是工艺步骤多、制备周期长、耗能高,熔盐法为制备孔径可控的纳米孔炭材料提供了一种新的技术途径,已成为近几年材料制备领域的研究热点。本文简要介绍了熔盐法制备纳米孔炭材料的原理和常用熔盐的性质,系统综述了熔盐法制备纳米孔炭材料的研究现状和最新进展,并指出了熔盐法制备纳米孔炭材料存在的问题和发展趋势。

多级孔炭电极材料的制备及其性能研究

以聚醚F127、间苯三酚和甲醛为原料,采用KOH活化法制备出具有介孔、微孔的多级孔炭材料,利用BET、XRD、SEM对样品的组成和结构进行了表征。结果表明:随着升温速率的增加和炭化时间的减少,介孔炭材料的比表面积、孔容以及介孔表面积先增大后减小。10℃/min条件下可获得最优性能的介孔炭,其介孔表面积为324.47m2.g-1,孔容为0.68cm3.g-1,平均孔径为8.44nm。活化剂与介孔炭的比例为4:1时制备出的多级孔炭材料的介孔表面积为682.16m2.g-1,总孔容为0.94cm3.g-1,平均孔径为4.70nm,且孔径主要集中在0～20nm,多级孔炭电极在海水中的比电容最高为242.37F.g-1,显著优于其它类的电极材料。是一种很有应用潜力的电容吸附电极材料。

三维有序大孔炭材料的制备及其应用

综述了三维有序大孔(3DOM)炭材料的制备及应用。3DOM炭材料的制备方法主要有胶晶模板法、炭气凝胶法、聚合物热解法,其中胶晶模板法是最有效的方法。还归纳了3DOM炭材料在光子晶体、电极材料、催化剂及催化剂载体、生物材料以及模板等方面的应用研究。

HY分子筛为模板合成的微孔炭及其电化学电容性能

以HY分子筛为模板,采用糠醇浸渍炭化法和糠醇浸渍-乙腈气相沉积炭化法制备了多种微孔炭材料,分别标记为PFA系列和AN系列,并研究了其电化学电容性能.X射线衍射(XRD)测试表明AN系列炭材料较好地复制了HY分子筛模板的孔结构有序性.X射线光电子能谱仪(XPS)测试表明,乙腈气相沉积在炭材料中引入丰富的含氮官能团.氮气吸附测试表明,炭材料是典型的微孔材料,具有较高的比表面积,较窄的孔径分布范围.电化学测试表明,AN系列炭材料电容性能较好,并具有明显的赝电容,其中AN8的比电容最大可达210F·g-1.AN系列炭材料的电容保持率与材料的导电性和介孔率有关.

凹凸棒NaY分子筛模板炭材料的制备及其电化学性能研究

以凹凸棒为原料,采用水热原位晶化法合成了NaY分子筛,然后采用模板法以制备得到的纳米级NaY分子筛为模板,麦芽糖为碳源,制备得到一种微孔模板炭材料。采用XRD、FESEM、N2吸附/脱附等手段对NaY分子筛和微孔模板炭材料的物理性能进行表征。测试结果表明,NaY分子筛的粒径小于100 nm,比表面积为487 m2/g;模板炭材料的比表面积为789.2 m2/g、总孔容为0.62 m3/g,平均孔径为1.5 nm。随后,采用恒电流充放电测试、循环伏安测试对模板炭材料的电化学性能进行测试。恒电流充放电测试表明,当电流密度为600 m A/g时,材料的比电容可达163.3 F/g,循环伏安测试中材料表现出了良好的循环伏安曲线的矩形特征,较好的说明了材料具有良好的倍率性能。

碳沉积时间对煤层气提纯用碳分子筛性能的影响研究

通过制备合适孔径的碳分子筛可实现甲烷与氮的有效分离,借助变压吸附分离工艺提浓再利用将会使我国的煤层气资源利用率大幅提高。采用气相碳沉积法,以煤基活性炭为前驱体、甲苯为沉积剂,调节活性炭孔径制备不同性能的碳分子筛吸附剂,并考察碳沉积时间对制备的碳分子筛样品CH_(4)/N_(2)吸附分离性能以及孔结构的影响。结果表明:通过调整碳沉降时间,可改变CH_(4)、N_(2)在碳分子筛上的吸附量和分离选择性。饱和吸附容量和平衡分离系数均随着碳沉积时间的延长呈先增加后减小的趋势,在碳沉积时间50 min时饱和吸附量达到最大,CH_(4)最大吸附容量达到1.41 mmol/g;在碳沉积时间70 min时,CH_(4)/N_(2)平衡分离系数达到4.74,碳沉积时间70 min性能最优;氮气吸脱附等温线表明碳沉积时间50 min~70 min时,可实现孔口的有效堆积并在缩小孔径的同时形成微孔炭材料。

真菌预处理优化制备微介多级孔炭及其吸附甲苯的研究

提出采用黄孢原毛平革菌对生物质前体物进行预处理的制备策略,从而研发孔结构可调的多级孔炭材料模板.选用荷叶作为生物质原材料,探讨菌种投加量、培养时间对多级孔炭材料前驱体的影响,并采用水蒸气物理活化法,分析活化温度和活化时间对炭材料比表面积、孔径分布和表面官能团的综合作用.最后,通过Raman、XRD、BET、FTIR、TGA、SEM、EA等手段表征其物理化学性质,并考察真菌预处理对炭材料的甲苯吸附性能的影响.结果表明,在生物质荷叶质量30 g、菌种投加量4 mL、培养时间7 d、活化温度800℃、活化时间90 min条件下制备的微介多级孔炭材料,在含有较多介孔的前提下比表面积可达937 m^2·g^(-1),总孔容为0.68 cm^3·g^(-1).动态模拟吸附实验发现,经预处理的炭材料在甲苯浓度905 mg·m^(-3)下对其饱和吸附容量为304 mg·g^(-1),是未经真菌调控荷叶吸附容量的1.83倍,吸附性能的提升主要归因于比表面积、孔容及表面酸性基团增大的作用.经真菌预处理调控的炭材料对甲苯的吸附符合Langmuir吸附等温线,属于单分子层吸附.

茶渣衍生多级孔炭的电化学和吸附性能研究

为探索废弃生物质材料的高值化利用在储能和环境修复中的应用潜力,本文以武夷岩茶茶渣(简称为茶渣)为原料,利用一种简便的KOH活化法制备了多级孔炭材料(TWBC_(750)),并系统研究了其作为超级电容器电极与环境吸附剂的性能。研究结果显示TWBC_(750)高度石墨化,具有分级多孔结构,且比表面积高达1014.54 m^(2)·g^(−1),孔体积为0.50 cm^(3)·g^(−1)。TWBC_(750)电极在1.0 A·g^(−1)时的最大比电容可达150 F·g^(−1),在10 A·g^(−1)电流密度下充放电循环10000圈后容量保持率高达94%;基于该材料所组装的对称超级电容器在功率密度为700 W·kg^(−1)时,最大能量密度为9.73 Wh·kg^(−1),并展现出优异的长期循环稳定性能(10000圈后容量保持率为91.75%)。准二级动力学模型可以更好描述TWBC_(750)吸附水中阿莫西林的过程,吸附等温线均符合Langmuir和Freundlich等温吸附方程,在45℃时其Langmuir的理论吸附容量最大(129.249 mg·g^(−1));吸附热力学数据表明这是一个非自发的熵减吸热的吸附过程。本研究合成的高效TWBC_(750)为茶叶废弃物同时在能源储存和环境修复领域的可循环利用提供了一定的理论依据。