锂离子电池硬碳负极材料的研究进展

碳负极材料是迄今为止综合性能最好的锂离子电池负极材料。通过对碳材料微观结构的设计,能够显著改善锂离子电池的能量密度、功率密度和循环寿命,适应新能源汽车对动力电池的要求。与传统石墨负极材料相比,硬碳具有嵌锂容量高、倍率性能好以及循环寿命长等优点。研究者通过改变碳源、优化制备工艺,相继制备了一系列结构独特性能优异的硬碳材料。基于硬碳基锂离子电池负极材料的最新研究进展,总结了以不同碳源制备硬碳材料的研究工作,并简要分析了硬碳的微观结构对材料嵌锂性能的影响。最后总结并指出了该领域亟待解决的问题以及未来的发展方向。

煤沥青基功能碳材料的研究现状及前景

我国煤沥青资源丰富,但深加工技术落后,产品附加值低,实现煤沥青高附加值利用是亟待解决的重大课题。本文介绍了以煤沥青为原料合成高性能功能碳材料的主要技术,重点阐述了以煤沥青为原料制备中间相沥青、多孔碳材料、碳纤维、二维纳米碳材料及碳基复合材料的研究进展。分析表明,高芳香性和高缩合度分子结构所引起的强π-π相互作用是阻碍煤沥青基高性能功能碳材料设计合成的瓶颈问题。通过催化聚合、氧化、共热解等技术手段可有效改善煤沥青分子结构及其物理、化学性质。结合模板复制、物理/化学活化、界面诱导以及催化石墨化等技术可实现多种功能性碳材料结构设计与表面化学性质调控。发展煤沥青分子结构调控新技术作为改善煤沥青基碳材料性能的重要策略,需要系统深入研究。

溶剂热法制备Fe_3O_4/氧化石墨烯复合材料及其性能研究

以氧化石墨和二茂铁为原料,采用溶剂热法原位一步合成了Fe3O4/还原氧化石墨烯(Fe3O4/RGO)复合物,通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、振动样品磁强计(VSM)、循环伏安测试等手段对复合材料的形貌、结构、磁性能和电化学性能进行了表征。结果表明,该方法具有简单、可控的优点,通过调变前驱物中氧化石墨和二茂铁的比例,可以控制复合物中Fe3O4纳米粒子的负载量。所制备Fe3O4/RGO复合材料由平均粒径约20nm的Fe3O4纳米颗粒高度分散在还原氧化石墨烯片层上组成,具有较好的超顺磁性,电化学稳定性和良好的倍率性能。

MnO_2/煤基石墨烯纳米复合材料的制备及其电化学性能

以纯化的太西无烟煤粉为原料,采用催化石墨化及改良Hummers氧化技术制备煤基氧化石墨烯前驱体,将该前驱体与MnO_2进行原位复合并利用等离子体技术还原制备MnO_2/煤基石墨烯纳米复合材料。采用红外光谱、X射线衍射、扫描电镜和透射电镜等技术对煤基石墨烯及其复合材料进行表征,采用循环伏安法及恒流充放电法测试MnO_2/煤基石墨烯纳米复合材料的电化学性能。结果表明,与煤基石墨烯相比,MnO_2/煤基石墨烯纳米复合材料的比电容有显著提升,在1A/g电流密度下可达281.8 F/g,是煤基石墨烯比电容的3.48倍。

Fe_2O_3/煤基石墨烯纳米复合材料制备及其电化学性能研究

以自然界富产煤炭为原料,通过高温处理、化学氧化及等离子体技术制备了煤基石墨烯,并进一步通过水热合成法将Fe2O3负载在所制石墨烯表面,成功制备了不同质量比的Fe2O3/石墨烯纳米复合材料。采用SEM、TEM等技术手段,研究了Fe2O3/石墨烯纳米复合材料的结构特征;采用电化学工作站和锂电池系统,研究了Fe2O3/石墨烯纳米复合材料的电化学特征。实验结果表明:质量比为50%的Fe2O3/石墨烯纳米复合材料的各项电化学性能最佳。

壳聚糖基大孔炭质整体材料的制备及其对痕量二氧化硫的吸附性能

以壳聚糖为碳源,综合采用冰模板技术和低温热解炭化技术,制备出具有蜂窝状孔结构特征的大孔炭质整体材料,研究了此类新材料对痕量二氧化硫的吸附性能及再生能力。结果表明,大孔炭质整体材料蜂窝状孔结构的形成及其规整程度与冰模板过程的冷冻时间等因素密切相关;200℃下低温热处理可得到具有丰富表面含氮官能团的大孔炭质整体材料;经氨水溶液中的离子交换功能化处理后,该大孔炭质整体材料对低浓度SO2的吸附容量显著提高,可达到57mg.g-1;吸附饱和后,经空气简单吹扫处理,大孔炭质整体材料即可大部分再生,少数不可再生部分是由于质子化的氨基与亚硫酸根和硫酸根在吸附过程中形成了不可逆化学吸附产物季铵盐所致。壳聚糖基大孔炭质整体吸附剂材料有望在污染空气的脱硫净化,特别是在质子交换膜燃料电池的阴极空气脱硫净化方面发挥重要作用。

金属改性煤基石墨烯复合材料的制备及其光催化性能

石墨烯由于其大的比表面积和良好的电子传输特性,在光催化领域具有巨大的应用潜力。本文通过水热法原位合成制备得到CuO/TiO_2/煤基石墨烯复合材料(CTG),采用XRD、SEM、TEM等手段对样品结构、形貌等进行了表征和分析;进而以CuO/TiO_2/煤基石墨烯复合材料为光催化剂,在可见光条件下还原CO_2制备甲醇以考察其光催化性能。结果表明,CuO/TiO_2/煤基石墨烯复合材料具有良好的光催化活性,当其中Cu的负载量为2%(质量分数)时,目标产物甲醇的产率最高可达94.79μmol/g.cat,为同样条件下单独采用煤基石墨烯作为光催化剂时甲醇产率的5倍。

玉米淀粉基三维网状结构炭质整体材料的制备

以玉米淀粉为碳源,利用其凝胶化性质,综合采用常压冰冻、真空冷冻干燥和高温炭化技术成功制备出三维网状结构炭质整体材料。研究玉米淀粉凝胶化工艺,如玉米淀粉浓度和电解质乙酸镍浓度对淀粉海绵前驱体和三维网状炭质整体材料形貌和结构的影响。结果发现:经过凝胶化处理,玉米淀粉的结晶度降低,结晶区的特征衍射峰完全消失;淀粉海绵前驱体和三维网状结构炭质整体材料的形貌和结构与淀粉浓度和电解质乙酸镍浓度密切相关,三维网状结构淀粉海绵前驱体形成的适宜淀粉质量浓度为10%,掺乙酸镍淀粉海绵前驱体三维网状结构形成的适宜乙酸镍浓度为0.1 mol/L;乙酸镍具有调变三维网状结构炭质整体材料宏观体积和孔结构的功能,可使三维网状结构炭质整体材料的宏观体积收缩近80%,贯通的大孔结构转变成封闭孔结构。

高电催化活性染敏电池对电极CNT/TiO2-xNx材料的制备

以钛酸异丙酯为钛源,CNTs为载体,结合水热和高温NH_3处理技术成功制备了CNT/TiO_(2-x)N_x复合物,并研究了其作为染料敏化太阳能电池(DSSC)对电极材料的电催化性能。采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、X射线光电子能谱和循环伏安等表征手段对CNT/TiO_(2-x)N_x复合物的形貌、结构和电化学性能进行表征。结果表明:直径30~50 nm的CNTs和直径为3~8 nm的TiO_(2-x)N_x纳米线相互交联形成了三维的网状结构,这一结构有利于增大复合物与电解液的接触面积。复合物融合了N掺杂Ti O2的高电催化活性和CNTs的高导电性的优势使得复合物的光电效率高达7.16%,与贵金属催化剂Pt相当,有望成为DSSC对电极材料理想替代材料之一。

硫掺杂炭材料的制备与应用

杂原子掺杂可以改变炭材料的表面化学结构,从而带来材料性能的变化。研究人员通过选择不同的碳源、开发新的制备技术等手段,相继制备了多种结构独特、性能优异的硫掺杂炭材料。本文基于硫掺杂炭材料国内外的最新研究进展,总结了以不同碳前体制备硫掺杂炭材料的研究工作,评述了不同前体及制备工艺对硫掺杂炭材料组成、结构的影响;并简要介绍了硫原子掺杂对炭材料在超级电容器、电催化等方面应用性能的影响。有关硫掺杂炭材料的研究还是一个全新的课题,尽管研究人员已经做了大量努力,但如何控制材料的结构仍然是一个具有挑战性的课题,利用富碳前体做原料来控制制备硫掺杂炭材料对于规模化应用更具实际意义。

电容去离子脱盐技术:离子交换膜复合活性炭电极的性能

引言 随着世界经济及工业的发展、人口的不断增长及环境污染的日益严重,淡水资源的需求量与日俱增。如何从占世界总储水量96%的海水中获得廉价的淡水在世界范围内日益受到关注。

煤基石墨烯宏观体的制备及其在CO_2光催化还原过程中的应用

石墨烯是一种新型二维碳质材料,以石墨烯为基本结构单元构筑宏观石墨烯材料是石墨烯走向实际应用的重要途径。以煤基石墨为原料,综合采用Hummers法、化学还原及冷冻干燥过程制备出煤基石墨烯宏观体。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱等对样品形貌结构进行了分析表征。此外,以煤基石墨烯宏观体为光催化剂填料搭建固定床反应器,应用于CO_2光催化还原过程。结果表明,煤基石墨烯宏观体对CO_2光催化还原反应具有较高的催化活性,目标产物甲醇的产率最高可达65.91μmol/g·cat。

直接碳燃料电池燃料的研究进展

直接碳燃料电池(DCFC)具有能量转化效率高、污染低、燃料来源广等优点,是缓解能源危机和环境污染的一种有效途径,其性能与所使用的燃料密切相关。本文介绍DCFC的发展历史、研究现状及发展动态,评述了煤、焦炭、活性炭、石墨等含碳物质作为DCFC燃料的优缺点,分析讨论了碳燃料的晶体结构缺陷、表面含氧官能团对阳极电化学反应的促进作用,以及碳燃料的电解质润湿能力、孔隙结构、电导率、粒径大小对阳极电化学反应的质量传递与电荷传递的相互关系;探讨了阳极催化剂促进阳极反应并提高电池性能的机制;简要讨论了DCFC碳燃料的未来发展趋势。

固体氧化物直接碳燃料电池阳极反应过程分析

以氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)为电解质组装成直接碳燃料电池(DCFC),分别以活性炭(AC)、石墨(G)、神府半焦(SC)作为DCFC燃料,研究了碳燃料的特性、电池操作温度以及阳极反应气氛等对DCFC阳极反应过程的影响。结果表明,三种碳燃料在空气、CO2气氛中氧化反应活性顺序为AC>SC>G,当三种碳材料作为DCFC燃料时,活性炭作为燃料的DCFC性能最好,半焦燃料次之,石墨作为燃料的DCFC性能最差,而且燃料反应活性与其表面含氧官能团、孔隙结构有关;DCFC的阳极反应过程存在碳燃料直接氧化为CO2、CO2与C反应转化为CO,以及CO氧化为CO2等。

CNT-TiO_2复合物的制备及其乳液催化苯甲醇选择氧化

以CNTs为基质,钛酸异丙酯为钛源,采用水热法制备CNT-TiO2复合物。采用扫描电子显微镜和X射线衍射等技术手段研究CNT-TiO2复合物的形貌和晶型结构特征,通过光学显微镜等技术手段研究TiO2、CNT-TiO2固体纳米颗粒形成的乳液体系的特征。以苯甲醇选择氧化制备苯甲醛为探针反应,研究浸渍法所制负载型钌基TiO2、CNT-TiO2乳液催化剂的催化反应性能,催化剂载体的乳化能力与其催化性能之间的规律性关系。结果发现:CNT-TiO2复合物的乳化能力强于TiO2颗粒,易形成乳液体积大及乳滴分布均匀的乳液体系;负载型Ru/CNT-TiO2催化剂的催化活性高于Ru/TiO2;催化剂载体的乳化能力与其催化活性密切相关,载体的乳化能力越强催化活性越高;CNT-TiO2复合物在苯甲醇选择氧化反应体系中起到了催化剂载体和固体乳化剂的双重作用。

生物质衍生炭负载金属催化剂的制备及析氧性能研究

本文以吸附了金属离子(Ni、Fe离子)的明胶为碳源,采用高温炭化的方法,制备了明胶衍生的富氮炭负载NiFe合金的功能化复合物(NiFe-NC)。采用X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、热重分析、电化学线性扫描等表征手段对NiFe-NC的形貌、结构和电催化析氧性能进行表征和研究。结果表明,金属纳米颗粒均匀负载在炭片的表面,暴露出了更多的活性位点,从而改善和强化了电化学反应动力学过程,提高了其作为析氧反应催化剂的催化性能和稳定性。在10 mAcm^(-2)电流密度下,过电势仅为366 mV,Tafel斜率为46.6 mV dec^(-1),并在5 mAcm^(-2)的电流密度下能够稳定工作25 h以上。

平板结构高效钙钛矿太阳能电池的旋涂溶液溶剂工程（英文）

自2009年首次应用于太阳能电池中以来,有机铅卤化物钙钛矿材料得到了极大关注.据文献报道,有机铅卤化物钙钛矿材料在不同结构的太阳能电池中都得到了应用,其中与有机太阳能电池类似的平板结构钙钛矿具有结构简单、制备容易等优点,非常适合用于柔性电池和多节电池等各种应用.在平板结构的太阳能电池中,制备高质量的钙钛矿薄膜至关重要.真空热蒸镀法虽然可以制备厚度均匀的钙钛矿薄膜,获得高的器件性能,但是设备成本较高,不利于大规模生产.而在溶液法中,早期的一步旋涂法和两步法由于没有多孔金属氧化物的支撑,很难制备均匀的钙钛矿平板薄膜;而气相辅助的两步法虽然制备的薄膜比较均匀,但反应时间却比较长.程一兵研究组采用在旋涂N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液时滴加氯苯使钙钛矿快速析出结晶的方法,制备了高质量的均匀的CH3NH3PbI3薄膜.Seok研究组采用1,4-丁内酯（GBL）和二甲基亚砜（DMSO）的混和溶剂,在旋涂时滴加甲苯的方法,在多孔二氧化钛上也制得了均匀的CH3NH3Pb I3薄膜,取得了很高转化效率（16.7%）,但缺少对不同溶剂比例的细致研究,另外,也没有对平板结构电池性能进行研究.本文采用DMF-DMSO和GBL-DMSO作为混合溶剂在二氧化钛致密层上旋涂制备了平板结构的钙钛矿薄膜,并且对混合溶剂的比例对器件性能的影响进行了详细的考察和优化.当纯DMF或纯GBL作为旋涂溶剂时,得到的CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜含有大量不连续的晶粒,表面的覆盖度很差,对入射光的吸收远弱于连续均匀的薄膜.而且XRD结果表明,纯DMF或纯GBL作为旋涂溶剂的薄膜残留有前驱体的杂质,对器件性能非常不利.而采用DMSO作为旋涂溶剂时,制得的薄膜表面则比较均匀,几乎达到100%的覆盖.这主要是由于在旋涂溶液中形成了PbI2-CH3NH3I-DMSO的中间相,这样可以避免纯DMF或纯GBL溶剂蒸发时Pb I2和CH3NH3I的剧烈反应,因此退火后制得的CH3NH3PbI3薄膜非常均匀.然而由于纯DMSO的高粘度和低挥发速度,并不是非常适合作为旋涂溶剂,因此我们将DMF和GBL加入到DMSO中形成混合溶剂来考察对制备的钙钛矿薄膜质量和器件性能的影响.扫描电镜结果表明,加入20%-40%体积分数的DMF时,形成的薄膜表面非常均匀而且晶粒尺寸很大,达到微米级别,这样有利于减少晶界处的复合,提高电池性能.继续增加DMF比例会导致晶粒减小,晶界和孔隙增多,薄膜表面也更加粗糙.而加入GBL时得到的晶粒要远小于加入DMF时的尺寸,并且随着GBL比例的增加,薄膜的表面变得更加粗糙,孔隙明显增多,严重影响电池性能.XRD结果表明,纯DMSO和混合溶剂制得的薄膜都没有前驱体的残留.紫外可见吸收光谱表明,随着DMF比例的增加,吸收逐渐增强;而随着GBL比例的增加,吸收逐渐减弱.这主要由于不同比例溶剂制得的薄膜厚度有所差异造成的.由相关的薄膜制备的平板结构太阳能电池I-V测试表明：当使用DMF-DMSO混合溶剂时,随着DMF比例由0%增至40%,短路电流和开路电压逐渐增加,填充因子略微减小,总体上导致光电转化效率逐渐增大.随着DMF继续增多,开路电压和填充因子的减小导致转化效率逐渐降低.而当使用GBL-DMSO混合溶剂时,主要受到短路电流的影响,电池的效率明显低于含DMF的混合溶剂的情况,而且随着GBL增多,电池效率逐渐降低.电池的最高转化效率达到了16.5%,最高功率点下固定电压扫描得到的稳态效率也达到了14.4%,高于报道中采用类似结构的电池的性能.由于在整个电池制备过程中,整个实验过程都低于100℃,该方法非常适合未来推广到柔性太阳能电池和多节太阳能电池上.

氢卤酸诱导石墨烯气凝胶组装体的制备

以氧化石墨为前驱体,氢卤酸为诱导还原剂,采用化学还原法在温和条件下制备石墨烯气凝胶组装体。利用扫描电镜、X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱及热重等分析手段对石墨烯气凝胶组装体的结构及性质进行表征,以研究氢卤酸的种类及浓度对石墨烯气凝胶的形成、结构及性质的影响。结果表明:相比于HBr和HCl,利用H+与I-的协同作用,HI能够有效的诱导石墨烯气凝胶组装体形成。相对于氧化石墨,所制备的石墨烯气凝胶的热稳定性和导电能力均得到了显著的提高。将石墨烯气凝胶作为超级电容器电极材料,表现出优异的电化学性能。

基于纳米碳化钼/硼氮共掺杂二维碳复合结构催化剂制备及电化学析氢反应性能研究

基于可再生生物质在二维层状晶体表面的组装,开发了一种内嵌纳米碳化钼的超薄硼氮共掺杂二维碳复合结构催化剂。此催化剂在碱性条件下电化学析氢反应中,表现出类铂的催化活性、更优的电化学反应动力学速率及良好的反应稳定性。

煤基石墨烯/炭纳米纤维复合材料的制备及其电化学性能

作为一种高性能新型储能器件,超级电容器具有功率密度高、充电时间短、绿色环保等诸多优点,决定超级电容器性能的关键因素是电极材料的性能。以煤为原料,通过高温热处理、化学氧化及等离子体还原技术制备得到煤基石墨烯;进一步将煤基石墨烯与聚丙烯腈(PAN)通过静电纺丝技术复合制备得到煤基石墨烯/炭纳米纤维(PM-CG)复合材料,以期借助于石墨烯所具备的高导电性、电子迁移率等性能获得具有优良电化学性能的电极材料。采用物理吸附仪、扫描电镜以及透射电镜等仪器对所制备的炭纳米纤维进行了表征,并通过电化学工作站研究了其作为超级电容器电极材料的电化学性能。结果表明,煤基石墨烯成功掺杂到炭纳米纤维中,所制备的PM-CG复合材料在6 mol/L KOH电解液中的比电容值可达225.1 F·g^(-1),是同样条件下纯PAN炭纳米纤维比电容值的2.57倍。