氮掺杂中空多孔碳材料活化过一硫酸盐催化降解双酚A

在高级氧化(AOPs)过程中,合理设计出环境友好、稳定高效的催化剂对水污染降解具有重要意义。使用原位聚合的方法合成了氮掺杂中空多孔碳材料(NHPC),并将其作为催化降解双酚A(BPA)的过一硫酸盐(PMS)活化剂;结合动力学分析与多种表征手段,探究了结构缺陷、sp^(2)杂化碳、氧官能团和3种典型的N键构型(吡啶N、吡咯N和石墨N)等因素对催化氧化反应性能的影响。BPA的反应速率常数与石墨N含量呈线性相关,表明石墨N是主要活性位点。同时,热处理可以通过再生石墨N来恢复催化剂活性,再生后的催化剂性能优于未使用的催化剂。自由基猝灭实验和电化学测试分析确定了NHPC-800/PMS体系主要是通过超氧自由基(O_(2)^(·-))介导的自由基过程降解双酚A(BPA)。加深了对氮掺杂碳基催化剂活化过硫酸盐的理解,对其在环境修复中的实际应用具有指导意义。

超高比表面积氮掺杂多孔碳材料的制备及其超级电容性能

以蔗糖为碳源、尿素为氮源、草酸钾为活化剂,通过简单的研磨和高温碳化制备了具有超高比表面积(大于3000 m^(2)·g^(-1))的氮掺杂多孔碳材料。采用多种手段对多孔碳材料的微观形貌、比表面积、孔结构和表面氮物种进行了表征,探究了不同温度下草酸钾和尿素对碳材料的比表面积、氮含量和超级电容性能的影响。结果表明,仅使用草酸钾作为活化剂制备的碳材料KC-800的比表面积为1114 m^(2)·g^(-1),而同时使用草酸钾和尿素制备的样品KNC-800的比表面积高达3033 m^(2)·g^(-1)。在以6.0mol·L^(-1)KOH为电解液的三电极体系中,当电流密度为0.5 A·g^(-1)时,KNC-800的比电容为405 F·g^(-1),而KC-800的比电容仅为248 F·g^(-1)。这表明草酸钾和尿素的加入显著提高了多孔碳材料的比表面积和超级电容性能。电容贡献分析表明,KNC-800的双电层电容值和赝电容值均高于KC-800。KNC-800在电流密度为0.5 A·g^(-1)时经过10000次循环后仍能保持98.3%的初始比电容,表现出优异的循环性能。

硼氮掺杂多孔碳电极材料的制备及其储能性能

【目的】制备储能性能优良的混合超级电容器,开发可再生和清洁能源存储技术。【方法】采用多孔碳作为电极材料,对多孔碳掺杂硼(B)、氮(N)等元素,增加多孔碳缺陷数量,改善多孔碳的电化学储能性能;使用乙二胺四乙酸四钠作为碳源,以硼酸铵、硼酸钠与氯化铵作为B、N掺杂源,分别制备B、N共掺杂多孔碳(B-N-多孔碳)、无掺杂多孔碳以及B、N单独掺杂多孔碳(B-多孔碳、N-多孔碳);对制得的多孔碳电极材料进行测试与表征,并进行电化学性能分析,研究多孔碳电极材料的比容量、功率密度和循环稳定性等储能性能;通过温度优化实验确定制备B-N-多孔碳的最优煅烧温度。【结果】B-N-多孔碳的孔类型主要有微孔、中孔、大孔,比表面积为668 m^(2)/g,总孔容为0.9 cm^(3)/g;N、B、C、O元素分布均匀,N、B的质量分数分别为13.12%、3.24%;石墨化程度低,结构无序程度高,缺陷数量大,离子的吸附性能强,充放电性能最佳;拥有最大的比容量和容量保持率;电荷转移内阻最小,循环性能最佳,会产生赝电容行为。【结论】当硼酸铵添加量为20 mmol,煅烧温度为700℃时,制得的B-N-多孔碳具有最好的微观形貌结构与电化学性能。

氮掺杂中空碳材料的制备及其超级电容性能研究

鉴于传统化石能源的不可再生性,目前针对清洁能源的研究越发紧迫与重要。伴随新能源汽车等一系列以电能为主要动力来源的交通工具的发展,市场对储能器件的要求也日益提升,其中锂电池、燃料电池、超级电容器等方向备受青睐。双层超级电容器由于其充放电行为只涉及物理变化,过冲与过放均不会对其电化学性能产生影响以及速充放电等特点备受市场的期待。本工作采用“一锅煮”的方法合成了性能优异的氮掺杂中空碳材料,并将其应用于超级电容器。通过电化学性能测试发现,氮掺杂以后能够有效提高材料的导电性能,加快离子的传输,在1 A/g恒电流充放电时,比电容可达76 F/g,循环2000次的电容保持率达到98%。

氮掺杂碳包覆负极材料的研究进展

传统的沥青碳包覆石墨负极材料已经无法满足市场对锂离子电池在能量密度、充电、安全性等方面提出的更高要求,而氮元素掺杂可以调控碳包覆层的界面结构,提升负极材料的电化学性能,受到广泛关注和研究,且氮掺杂碳包覆是在当前的负极材料产业链条件下最具潜力和最容易实现产业化的改性方式之一。因此,本文从氮掺杂碳的结构特征及氮掺杂碳包覆负极材料两方面进行了综述,并对氮掺杂碳包覆的未来进行了展望,以期为其产业化发展提供参考。

氮氧双掺杂多孔碳对四环素的电吸附及其机制

四环素(TC)约占抗生素总产量和使用量的三分之一,且在水体中难以被降解,导致其在环境中的浓度越来越高而引发难以预估危害的细菌耐药性.因此,开发有效途径对水中四环素进行高效去除具有重要现实意义.本文通过简单的分散聚合物制备了具有高四环素吸附效率的聚酰亚胺衍生碳材料(FCPI).FCPI独特的分级多孔结构、丰富的氧(14.6%)、氮(4.7%)掺杂量和边缘缺陷等可为四环素的吸附提供丰富的活性位点;较大的比表面积、良好的导电性和化学稳定性,可提供稳定的双电层吸附界面.因此,将FCPI制备成电容去离子(CDI)器件的电极片后,FCPI对TC的电吸附容量高达989.5 mg·g^(-1),是传统自吸附的2.3倍(430.2 mg·g^(-1)).FCPI在自然水体中,经过200次吸-脱附循环后吸附容量仍可保持70%以上,具有优异的再生性和循环稳定性.且FCPI在不同水体中均表现出高效的TC吸附性能和同步去除水体中硬度离子的能力,使其在处理复杂水体污染与环境保护方面具有重要的实际意义.

氮掺杂淀粉基硬碳负极材料制备及其储钠性能研究

钠离子电池(sodium-ion batteries,SIBs)作为未来极具竞争力的大型储能装置之一,由于没有合适的负极材料,其商业化应用受到严重阻碍,因此,开发新型高性能SIBs负极材料是目前亟待解决的问题之一。硬碳材料由于来源丰富和成本低廉受到广泛关注,使用马铃薯淀粉为前驱体,采用不同的氮源对马铃薯淀粉进行掺杂改性,从而制备出氮掺杂硬碳材料。测试结果表明氮掺杂硬碳材料相比于未掺杂改性材料,其电化学性能显著提高。以二氰二胺为氮源掺杂的硬碳材料在0.1 A/g的电流密度下循环100圈后,仍能保持220.47 mA·h/g的可逆比容量,以尿素为氮源的硬碳材料能保持233.36 mA·h/g可逆比容量。结果表明,氮元素的掺杂可以有效地提升硬碳材料的离子电导率、增加硬碳材料的可逆比容量,从而整体提升硬碳材料的电化学性能。

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。

酒糟基氮-磷共掺杂多孔碳材料的制备与表征

以酱香酒酒糟为碳源,磷酸氢二铵为氮-磷源和活化剂,采用直接物混-高温工艺一步碳化活化制备酒糟基多孔碳材料。通过BET、XRD、XPS、SEM、TEM等进行表征分析,考察了碳材料对Cr(Ⅵ)模拟废水的吸附性能。结果表明,当磷酸氢二铵和酒糟质量比为1、活化温度为800℃时,BC800-1的比表面积、总孔容和微孔容分别达到609.08 m^(2)/g,0.363 cm^(3)/g和0.188 cm^(3)/g,以微孔和小介孔为主,具有部分石墨化结构,表面N、P元素含量分别为3.28%和2.3%。BC800-1对Cr(Ⅵ)的吸附性能较好,在原始条件下最高吸附量为9.2 mg/g。

富氮多孔碳纳米片的氮掺杂构型调控及其储锌性能

基于多孔碳正极和锌金属负极构建的水性锌离子电容器(ZICs)具有成本低、环境友好、安全性高和长期耐用等优点,近年来受到广泛关注。本文以具有共价有机框架结构(COF)的富氮聚合物为碳源前体,通过简单的炭化自活化策略,合成了富氮多孔碳纳米片(NPCN-x)。研究表明,基于聚合物前体丰富的COF结构特点,炭化温度对所制备碳材料的氮含量和氮掺杂构型有显著影响,且碳材料表面的吡咯氮含量与其储锌性能呈现高度线性相关。优化后的NPCN-800其吡咯氮原子分数高达2.15%,作为ZICs的正极材料,在0.5A/g的电流密度下,展现出158mAh/g的高比容量和优异的循环稳定性。结合密度泛函理论计算发现,碳材料表面的吡咯氮构型具有优异的电化学活性,能够显著增强Zn离子的化学吸脱附过程。该研究为高性能ZICs用碳基电极材料的设计构建提供了新思路。

氮掺杂碳材料MG-T多相催化硝基苯加氢制苯胺

苯胺作为重要的化学中间体,主要通过催化硝基苯加氢反应制备.本文利用三聚氰胺和三聚氰酸制备牺牲模板MCA,以葡萄糖为碳源,合成了前驱体MG,再经高温碳化得到氮掺杂碳材料MG-T(T/℃,表示碳化温度),用于多相催化硝基苯加氢制苯胺反应.结合材料表征和催化评价结果初步探讨了反应机理.实验结果表明,碳化温度影响MG-T中氮物种构型的变化,石墨氮对催化剂的加氢活性起到关键作用.催化剂MG-800在水合肼作还原剂的乙醇溶剂中于80℃反应4h,硝基苯转化率为96%,产物选择性为100%,催化剂可循环使用至少9次,具有良好的稳定性和循环性,是一类可循环使用的硝基苯加氢制苯胺多相催化剂.

多孔氮氟共掺杂碳气凝胶的制备及其在锂硫电池中的应用

锂硫电池以其超高的理论能量密度,已成为最具发展潜力的新一代电化学储能技术,但硫正极存在电导率低、体积膨胀、多硫化物穿梭效应等技术瓶颈问题,制约了其实际应用。通过甲醛和3-氨丙基三乙氧基硅烷的醛胺缩合和溶胶-凝胶化反应合成了席夫碱二氧化硅凝胶,经与聚四氟乙烯乳液冷冻干燥、热处理同步刻蚀二氧化硅以及碳化制备了多孔氮氟共掺杂碳气凝胶(NF-CA)。以NF-CA为载体制备的NF-CA/S正极材料表现出优异的循环性能和倍率性能,0.2 C循环初始放电比容量高达1322 mA∙h/g,1 C循环200圈可逆比容量可保持564 mA∙h/g,2C倍率下可逆比容量高达598mA∙h/g。

氮掺杂多孔碳负载甲基化聚乙烯亚胺对二氧化硫的有效吸附

为了解决目前难以大量处理二氧化硫排放的问题,将富含叔胺基团的甲基化聚乙烯亚胺(mPEI)负载到对二氧化硫有一定吸附性的氮掺杂多孔碳(GU-1)上,制备了多种比例的负载产物(n mPEI@GU-1),并考察n mPEI@GU-1对二氧化硫的吸附能力。研究结果表明:在25℃和101.3 kPa的条件下,n mPEI@GU-1对SO 2的吸附量可以达到5.10~7.01 mmol·g^(-1),复合物相比单一组分,吸附二氧化硫的能力有较大提升。随着温度升高,样品对于二氧化硫的吸附性能逐渐降低,符合气体吸附规律,并通过多次重复实验证明了所制备的样品对SO 2具有良好的可逆吸附能力。

模板和发泡双策略制备氮掺杂介孔碳材料及电化学性能

以尿素作为氮源,聚乙烯吡咯烷酮为碳源,同时利用硬模板法和发泡双策略在不同预活化温度(90℃、140℃、180℃和250℃)下探究前驱体缩合反应程度。通过SEM对其形貌分析,通过BET分析不同的发泡温度对孔径的影响,进而探究其作为电极材料的电化学性能。结果表明,在预活化温度为180℃的条件下煅烧的NPCNs样品呈三维网状形貌,拥有较高的比表面积且伴随着丰富的分级多孔结构。同时,NPCNs的导电性高,电化学性能良好,在1 mV/s的扫速下比电容高达382 F/g,即使在2 A/g的电流密度下经过1000次循环后仍保持近100%的容量保持率,放电比容量能达到302 F/g。

聚酰亚胺基氮掺杂碳电极材料的制备及电化学性能研究

由于氮掺杂多孔碳材料不仅保留原有材料的高比表面积、高孔隙率和发达的孔道结构等优势,还兼具杂原子良好的润湿性能和导电性,被广泛应用于超级电容器电极材料的研究。以均苯四甲酸二酐(PMDA)和4,4′-二氨基二苯醚(ODA)为原料,通过水热法,在高温高压的条件下,分子链进行“自上而下”的折叠,形成三维纳米微球结构。借助对纳米球的高温热解,使氮元素保留在碳材料中,得到含有大量微孔和介孔结构的掺杂氮碳微球。当碳化温度达到800℃时,PI碳球具有709.39m^(2)/g的高比表面积和良好的氮掺杂率,很大程度上提高了此类电极材料的比电容和润湿性能。电化学测试表明,当扫描速率为0.5A/g时,电极材料能够达到253.6F/g的比电容,且在电流密度达到10A/g时,电极材料的电容保持率为59.6%。同时,在循环10000次后,比电容保持率出现涨幅达到105%,具有优异的循环稳定性。综上,通过自组装和氮掺杂的有效结合,制备的3D氮掺杂多孔碳微球具有理想的电化学性能,为制备超级电容器电极材料提供了一种可供参考的工艺。

以酚醛树脂为前驱体合成氮掺杂中空碳球及其类酶活性研究

以间苯二酚甲醛树脂为前驱体,三聚氰胺为氮源,球形碳酸钙为模板剂,氢氧化钾为扩孔剂,通过硬模板法合成了氮掺杂中空碳球(NHCSs),通过扫描电子显微镜、场发射透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪对NHCSs的微观形貌、表面元素组成及化学价态进行了表征,探究了NHCSs过氧化物模拟酶活性及反应体系中产生的活性氧中间体。结果表明:在弱酸性和H_(2)O_(2)存在的条件下,NHCSs可以快速地催化氧化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)生成蓝色产物;经过氢氧化钾扩孔处理后的NHCS-1对TMB和H_(2)O_(2)具有良好的亲和力;超氧自由基·O_(2)^(-)和羟基自由基·OH是主要的活性物种。采用简单快速的比色法检测H_(2)O_(2),线性范围为8~1000μmol/L,检测限为4.97μmol/L。

MOF衍生氮掺杂碳及其膜材料去除染料性能试验

以金属有机框架材料(MOFs)中的ZIF-67为模板剂,通过热解制备了具有较强偶氮染料吸附能力的MOF衍生碳材料(MDC)和氮掺杂碳材料(NDC),并使用共混复合将NDC材料引入聚偏氟乙烯(PVDF)膜基底中对偶氮染料进行过滤截留。结合材料表征结果与模型分析,探究其染料去除的机理,获得膜材料的最佳制备条件。结果表明,NDC对亚甲基蓝(MB)的最大吸附量为185.35 mg/g,吸附符合Langmuir模型。性能随着pH和离子强度的增加而增强,对罗丹明B(RhB)和孔雀石绿(MG)也具备可观的有较大的吸附量。混合基质膜在NDC添加量为4%时,膜的过滤性能最佳,在8次循环后仍保持90%截留率。研究成功制备了一种新型负载衍生碳材料的染料过滤膜,为染料污染物的去除提供新的实践方法。

氮掺杂多孔碳催化剂的制备及降解双酚A性能的研究

双酚A(BPA)是一种高产量的工业化学品,其雌激素效应和生态毒性对水体环境和人类健康带来了极大的威胁。高级氧化技术(AOPs)是一种高效去除有机污染物的方式,主要依靠活化过一硫酸盐(PMS)产生强氧化活性物种(ROS)来降解有机污染物。本研究中,通过一步高温热解法制备了氮掺杂多孔碳催化剂(3DNC-900),并研究了其活化PMS降解双酚A的性能和机理。结果表明,在3DNC-900投加量为0.08 g/L,PMS质量浓度为0.10 g/L,反应温度为25℃的条件下,10 min内对20mg/L BPA去除率达到100%,且重复循环使用4次后仍具有较高的催化活性。3DNC-900催化剂协同高级氧化技术在有机废水环境修复领域拥有广阔的应用前景。

氮磷掺杂碳材料的制备及其电催化性能研究

采用湿化学法合成了ZIF-8,将其与磷酸氢二铵混合后,在氩气和氢气的流量比为95∶5(mL•min^(-1))的条件下,经高温热解,合成了氮磷掺杂的碳材料P-N-C。通过XRD、SEM、元素分析等手段,对该材料的物相、微观形貌和元素组成进行了表征,并测试了该材料对电催化氧还原反应(ORR)的性能。结果表明,其氧还原极化曲线的半波电位(E1/2)达到0.8065V,循环3000个周期后仅衰减了4mV。

SnS_(2)/ZIF-8衍生二维多孔氮掺杂碳纳米片复合材料的锂硫电池性能研究

锂硫电池(LSBs)因能量密度高、原料储量丰富、环境友好等优点引起了广泛关注。然而,多硫化物的穿梭效应、反应过程中较大的体积膨胀以及硫较差的电子电导率等缺点极大地限制了其发展。本研究设计了一种SnS_(2)纳米颗粒与ZIF-8衍生的花状二维多孔碳纳米片/硫复合材料(ZCN-SnS_(2)-S),并研究了其作为锂硫电池正极的电化学性能。其独特的二维花状多孔结构不仅有效缓解了反应过程中的体积膨胀,而且为Li+和电子的传输提供了快速通道,杂原子N也促进了对多硫化物的吸附作用。并且负载的极性SnS_(2)纳米颗粒极大地增强了对多硫化物的吸附,从而使ZCN-SnS_(2)-S复合材料表现出优异的电化学性能。在0.2C(1C=1675 mA·g^(–1))电流密度下,ZCN-SnS_(2)-S电极循环100次后仍能保持948 mAh·g^(–1)的高可逆比容量,容量保持率为83.7%。即使在2C的高电流密度下循环300圈,ZCN-SnS_(2)-S电极仍具有546 mAh·g^(–1)的可逆比容量。