针状焦基活性炭的制备及其作为EDLCs电极材料的电化学性能

以针状焦生焦为原料,通过KOH化学活化法,在不同活化条件下制备出一系列高比表面积活性炭,并对这些活性炭进行了孔结构表征。而后以30%KOH溶液为电解液,测试了由所获活性炭制备的一系列电极的电双层电容性能。结果表明:在碱炭比7∶1、活化温度850℃时,所制活性炭的BET比表面积为2 728m2/g,孔容为2.14cm3/g,统计平均孔径为4.4nm,大中孔孔容占总孔孔容约50%。该活性炭电极的比电容达305F/g,有相对较高的能量密度、良好的功率特性以及双电层电容特性。

化学沉积法制备氧化锰/多孔炭复合材料及其电化学性能

通过化学沉积法制备了氧化锰/多孔炭(Porous carbon,简称PC)复合材料,考察了氧化锰负载量及热处理温度对其理化性能的影响,探讨了氧化锰/多孔炭复合电极的充放电机理。SEM照片及孔结构测试结果表明,常温下化学沉积法负载氧化锰不但负载均匀,而且还对多孔炭的孔结构起到修饰作用;但经400℃以上高温处理后,其均匀性受到破坏。XRD测试结果表明,经110℃干燥处理及400℃高温处理的复合电极材料负载的氧化锰为无定型结构,800℃时则转变为γ-Mn2O3。经电化学测试表明化学沉积法负载氧化锰可以有效地提高多孔炭电极材料的电能存储容量,当多孔炭负载质量分数1.7%氧化锰,在空气中110℃干燥,制得复合材料的单电极比电容达到340F/g,比单纯的多孔炭电极提高34%。

钾离子电池炭负极材料的研究进展

随着社会对大规模储能系统需求的不断攀升,迫切需要开发可持续、低成本的新型电池技术。鉴于钾离子储量丰富、成本可控,钾离子电池近年来受到越来越多关注。不仅介绍了目前研究较多的几种炭基材料及其储钾性能,还尝试总结了炭基材料可能的储钾机理,展望了钾离子电池用炭基电极材料面临的问题及未来发展方向。

静电纺丝法制备多孔纳米炭纤维及其电化学性能研究

分别以聚乙烯醇(PVA)/热固性酚醛树脂(PF)/碳酸钾(K2CO3)和PVA/PF的水溶液为纺丝原液,通过静电纺丝、固化和炭化处理制得多孔纳米炭纤维。利用扫描电子显微镜(SEM)、低温氮气吸脱附等对所制多孔炭纳米纤维进行表征,并将所制多孔炭纤维作为模拟电容器电极材料,利用循环伏安和恒电流充放电进行了电化学性能测试。结果表明:纺丝原液中加入K2CO3后所制多孔纳米炭纤维的比表面积增大(从564 m.2g-1提高到668 m.2g-1),电化学性能提高(在电流密度为0.2 A.g-1的情况下,比电容由165 F.g-1提高到178 F.g-1)。

硝酸热处理对NiCo2S4/炭布复合电极材料电化学性能的影响

先对炭纤维布(CC)进行不同时间的硝酸热处理,随后采用一步溶剂热方法在炭纤维布上沉积NiCo2S4纳米颗粒。结果表明,随着酸处理时间的延长,炭纤维表面粗糙度增加,含氧量增加。当酸处理时间为12 h时,NiCo2S4在其表面负载最均匀,复合材料的电化学性能最优,在电流密度为1 A g-1时,比容量可达1 298 F g-1,当增大到20 A g-1时,容量仍可保持为原来的89.7%。在5 A g-1电流密度下,循环次数达到3 000次时,容量保持率为95.3%。将所得复合材料作为正极,纳米炭纤维布(CNF)为负极,组装成具有自支撑结构的非对称超级电容器,在功率密度754 W kg-1时,其能量密度可达37.5 Wh kg-1。

石墨烯担载SnO_2纳米复合材料的电化学性能研究

以热膨胀还原石墨烯为载体,采用超声辅助浸渍法制得一系列石墨烯担载SnO2纳米复合材料。利用X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)分析其微观结构,同时使用循环伏安法研究其相应电化学行为。结果表明:随浸渍时间延长,SnO2逐步占据石墨烯表面原有活性位(如含氧官能团和晶格缺陷),使其担载密度显著提高。但SnO2纳米颗粒对复合体系的赝电容贡献较小,同时其对石墨烯活性位具有掩蔽作用,反而导致石墨烯电容性能逐步下降。可见,石墨烯表面活性位对热膨胀石墨烯的电容性能起重要作用。

Na2MoO4凝胶电解质炭基全固态超级电容器的电化学性能研究

本工作中,通过在PVA/H3PO4凝胶中添加氧化还原电解质Na2MoO4,制备了PVA/H3PO4/Na2MoO4复合凝胶电解质,随后将其与活性炭布组合,制备了全固态柔性超级电容器,并测试了凝胶膜的应力-应变性能、膜电导率及电化学性能。结果表明,Na2MoO4的加入可以在一定程度上改善凝胶膜的机械强度和电导率。相同的电流密度下,由PVA/H3PO4/Na2MoO4凝胶电解质构筑的电容器,比PVA/H3PO4拥有更高的比容量,且表现出更小的电压降。该电容器在1 mA·cm^-2的比容量可达1021mF·cm^-2,即使电流扩大20倍,依旧保持62%的高倍率性能。该全固态超级电容器的能量密度最大为138μWh·cm-2,最大功率密度为6237μW·cm-2。

二维小角X射线散射法研究PAN基炭纤维内部微孔结构

利用二维小角X射线散射(2D-SAXS)方法,对PAN基炭纤维全部方位角进行微孔结构的研究。样品选取自制炭纤维MHS及日本东丽公司T300,T800产品。结果表明:MHS炭纤维微孔尺寸介于T300与T800之间,长径比t值小于T300和T800。T300中较小微孔(<9.1nm)和较大微孔(>15.4nm)的含量大于MHS,T800含有大量的微孔短轴小于2nm的小尺寸微孔。MHS炭纤维的界面复杂程度较T300大,而小于T800。炭纤维内部存在由微孔散射导致的密度波动,其波动振幅F值和波动密度n值按MHS、T300和T800依次递减;电子密度波动越小,表明微孔结构越规整,T800的孔结构最规整。炭纤维内各个取向上均有一定结构的微孔分布,但总体上呈现沿纤维轴方向的定向排列。

掺杂难熔金属碳化物对炭/炭复合材料烧蚀机理的影响

通过对炭/炭复合材料(C/C)和添加难熔金属碳化物炭/炭复合材料(C/C+MC)的微观结构对比分析,研究了二者在电弧加热器上的烧蚀机理。结果表明,难熔金属化合物(MC)在烧蚀过程中进入到距表层几个微米之内的纤维和基体炭微晶内,明显影响了相邻微晶的形貌。MC的存在,一方面,加大了机械剥蚀等力学因素引起的质量损失,增大了试样表面粗糙度,从而进一步加重了烧蚀;另一方面,MC具有降低碳的升华总量的效应。从综合效应来看,C/C+MC复合材料的烧蚀速率比C/C复合材料高。

含钽炭基复合材料前驱体的制备及表征

以煤沥青为原料,氯化钽为钽源,通过化学反应制备了含钽沥青前驱体。利用扫描电镜(背散射电子能谱和X射线能量色散谱)、透射电镜、x射线衍射等测试分析手段对钽化合物在沥青中的存在形态、分散状况和热处理过程中的物相变化进行了研究。结果表明:沥青中钽化合物的粒度为20nm～50nm,主要以五氧化二钽的形式均匀分散于沥青中;惰性气氛下,较低温度(420℃)热处理时,钽化合物以δ-Ta2O5的形式存在,温度升高到900℃时,δ-Ta2O5转化为β-Ta2O5,在温度达到1200℃时,β-Ta2O5和碳化钽共同存在于炭基体中,在2800℃温度下,钽完全转化为碳化钽。

氧化石墨烯/酚醛树脂基泡沫炭的制备和隔热性能研究

针对新型轻质高效和结构稳定的高性能隔热材料在航空航天领域的应用需求,以热塑性酚醛树脂为原料,引入氧化石墨烯(GO)进行改性,然后采用液相低压发泡/炭化工艺制备氧化石墨烯/酚醛树脂基泡沫炭(PCF)隔热材料。采用扫描电镜(SEM)、热分析仪、压汞仪和激光脉冲导热仪,对GO/PCF的结构及性能进行了测试与表征。结果表明:添加GO合理的质量含量是1.0%,添加量过大时,GO会团聚,影响泡沫炭的孔结构和微观结构,导致泡沫炭强度和体积密度下降,热导率上升;GO的适量引入可改善酚醛树脂的热稳定性,相对于未改性样品,1.0%GO/PCF的热解温度及热稳定性提高,残碳率提高5%;分散均匀的GO在酚醛树脂中形成三维多孔网状结构,具有良好的气流传热和辐射传热抑制效果;1.0%GO/PCF的体积密度为0.20 g/cm^(3),结构致密,热导率仅0.05 W/(m·K),具有优异的隔热性能。

晋城无烟煤制备高吸附性活性炭的试验研究

运用正交实验方法,选用晋城无烟煤为原料,用KOH化学活化法制备高吸附性活性炭,以所得活性炭的CCl4吸附值作为考察指标。结果表明,晋城无烟煤在活化温度830℃、活化时间60min、碱炭比5/1的条件下所制备的活性炭CCl4吸附值可达到2348mg/g。

第十届全国新型炭材料学术研讨会顺利召开

第十届全国新型炭材料学术研讨会于2011年12月10-14号在清华大学深圳研究生院举行,本次会议由中国科学院山西煤炭化学研究所主办,清华大学深圳研究生院协办。

化学滴定法分析PAN基HM炭纤维表面酸性官能团

利用化学滴定法分析阳极氧化PAN基HM炭纤维表面酸性官能团,结果发现:炭纤维表面酸性官能团随电流密度增大而明显增加,最终达到“饱和”。这将有利于进一步研究PAN基高模炭纤维氧化机理和粘结机理。

压缩膨胀石墨/石蜡相变复合材料微观结构与强化传热研究

以不同密度的压缩膨胀石墨为强化传热载体,制备了膨胀石墨/石蜡相变复合材料。在压力作用下,压缩膨胀石墨导热性能产生明显的各向异性,各向异性系数分别为1.4、2.1和2.5。压缩膨胀石墨骨架的高热导率使得石蜡升温速率分别提高了4.3、5.7和10.3倍。

硼掺杂中孔炭的制备及其电化学性能

以含硼酚醛树脂为碳前驱体,通过溶剂挥发诱导自组装制备了含硼中孔炭。利用低温氮气吸脱附、小角X射线散射、透射电镜等分析手段对中孔炭样品进行了结构表征,并采用三电极体系对中孔炭样品进行了电化学性能测试。讨论了硼掺杂量对中孔炭的孔结构及电化学性能的影响。结果表明:随硼含量增加,中孔炭孔径缩小且有序度降低。硼质量分数为0.3%时,中孔炭在电流密度为75mA.g-1下的单位面积比电容达到0.51F.m-2,是未掺杂样品的1.9倍,并且仍能够保持有序的孔道结构。

热压温度对纳米粘土增强炭／炭复合材料结构和性能的影响

采用热压与致密化工艺分别在1 000、1 100、1 200和1 300℃下制备出纳米粘土增强一维炭/炭复合材料(C/C)。利用XRD、激光拉曼光谱等研究纳米粘土的热转变规律,利用体密度、导热率、抗弯强度及模量等数据研究纳米粘土的热转变对C/C复合材料的影响。采用场发射扫描电镜分析试样微观形貌。结果表明,热压温度对纳米粘土增强C/C复合材料的结构和性能影响显著。1 200℃热压制备的C/C复合材料抗弯强度最大为230.1 MPa,模量最大为87.3 GPa。C/C复合材料中的纳米粘土1 200℃热压转变成莫来石、方石英、无序粘土、有序炭及无序炭。这些组分均匀分散在基体中,可改善基体炭结构以及基体炭和炭纤维的界面,提高复合材料的力学性能;1 300℃热压时纳米粘土中的Si O2与基体炭发生碳热还原反应,破坏了基体结构,导致材料的抗弯强度和模量降低,而反应产物Si C提高了材料的导热率。

催化化学气相沉积过程中硫元素引发的炭形貌衍变(英文)

以甲苯为碳源,二茂铁为催化剂,噻吩为生长促进剂,通过化学气相沉积方法得到了多分叉结构的炭。借助SEM、XRD和EDX考察了硫元素对产物的形貌和微观结构的影响。结果表明,当甲苯中的噻吩体积分数在0.01%～1%变化时,产物形貌由树状逐渐衍变为分支状。树状炭由较长而笔直的多分叉炭纤维构成,而分支状炭则由较短且弯曲的炭纤维构成。XRD结果表明硫元素对产物的微观结构没有明显的影响。

双层堆叠对石墨烯材料量子电容影响的理论研究

石墨烯材料由于比表面积大、导电性能好,被作为正极材料与多孔炭材料一起用于锂离子电容器。石墨烯材料在制备和使用过程中易发生片层堆叠积聚,难以保证单层存在。堆叠会影响材料的电子结构进而影响量子电容。为了考察层间相互作用对石墨烯电子结构和量子电容性能的影响规律,基于密度泛函理论计算,本文系统研究了堆叠对于多种缺陷结构石墨烯材料的量子电容、表面电量等性能的影响。计算发现,由于层间相互作用以及基底层提供了部分电荷,单层石墨烯堆叠后量子电容性能增加,并且相较于完整和表面带有点缺陷的石墨烯,掺N双层石墨烯的量子电容提升幅度较大。同时在层间相互作用影响下,堆叠后拥有相近结构的石墨烯之间的量子电容性能差距减小。对于顶层不含悬挂键和孤对电子的石墨烯片层,发生堆叠后量子电容曲线随电压变化的波动趋势降低。

T300和T700炭纤维的结构与性能

利用SEM、元素分析、XRD和激光Raman光谱研究了T300和T700的形貌、化学组成和微观结构参数。结果发现:T700炭纤维表面光滑,而T300炭纤维的表面有大量的沟槽。表明前者是用干喷湿纺原丝,后者是用湿法纺丝原丝。两种纤维的断面均呈现出颗粒状特征。T700的含碳量高于T300,含氮量低于T300。两者的微观结构参数(d002、La和Lc)差异佐证了T700的炭化温度高于T300。T700的择优取向角Z比T300小2.3°,是石墨微晶致密有序排列的反映,因而使其体密度比T300高2.27%,空隙率低7.54%。所以致密化赋予了T700较高的拉伸强度。