有序介孔碳材料的研究进展简述

有序介孔碳材料(OMCs)是指孔径在2~50 nm之间的多孔碳材料,其特点是具有较大的比表面积、丰富的介观结构、均一的孔径、整齐的介孔排列、良好的导电和导热性能.因此,在催化、吸附、分离、气体储存、物质传递等方面有着广泛的应用.目前为止,有序介孔碳材料的研究已在多方面有所突破:利用多种方法,能够合成稳定的高度有序介孔碳材料;通过改变反应条件,如反应物量比、pH值等,能够调控介孔的形状、大小等;将某些原子或官能团引入材料中,能够改变其物理和化学性质,使之在应用上更具有指向性.本文对有序介孔碳材料的研究进展进行了简述,包括其合成、表征、改性和应用等几个方面,同时,对其发展前景也进行了展望.     

氮掺杂层次孔碳纳米材料的合成及其电化学储能

为了制备性能优良的电化学储能电极材料,利用分子自组装技术,将甲基丙烯酸甲酯和丙烯腈聚合后的产物进行碳化和活化,得到具有大孔、介孔和微孔的氮杂层次孔碳纳米材料.分别采用扫描电镜、透射电镜、氮气吸附脱附、X线光电子能谱、恒流充放电、循环伏安及交流阻抗等测试方法和手段对材料的形貌、结构及电容性能进行表征.实验结果表明:所得氮杂孔碳纳米材料比表面积为698 m~2/g,孔容为0.42 cm~3/g.在电流密度为0.2 A/g时,该材料比电容量为241.9 F/g,且具有较好的循环稳定性,在2 A/g下循环5 000圈后,比电容值仍能保持在初始容量的93.6%.将其组装为对称超级电容器,能量密度和功率密度分别达到19.6 W·h/kg和200 W/kg,高于目前一些商业化的电容器数值,说明该氮杂层次孔碳纳米材料在超级电容器方面展示出很好的应用前景.     

介孔分子筛调制有序介孔碳超级电容器性能研究

为了研究不同孔径的有序介孔碳(OMC)作为超级电容器电极的性能差异,本文采用水热合成法制备三种不同孔径的介孔二氧化硅分子筛(SBA-15),再以SBA-15为模板,乙炔为碳源,利用化学气相沉积法(CVD)反向制备具有不同孔径的OMC。利用扫描电子显微镜、氮气吸附和电化学测试等,分析OMC作为电极材料时,其纳米孔结构与性能之间的关系。结果表明,将孔径调控在3～4 nm的OMC-120作为超级电容器电极,在充放电电流密度为0.10 A/g和0.50 A/g时,比电容为44.50 F/g和54.30 F/g;经1 000次循环后电容保持率达99%,其双电层电容性能和稳定性优于其他孔径结构的样品,这归因于OMC-120中较窄的有序介孔结构加速了电子和离子的转移交换,缩短离子的传输路径。     

三聚氰胺/石墨烯复合碳材料的制备及性能研究

制备具有高比表面积及良好导电性的含氮碳材料是提高超级电容器电化学性能的重要途径.文章将三聚氰胺甲醛树脂预聚体及十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)改性的氧化石墨烯(GO)复合,经水热反应、碳化及活化等步骤制备了三聚氰胺/石墨烯复合碳材料,通过XRD、BET、孔径表征、循环伏安法和交流阻抗等方法对碳材料的物相结构和电化学性能进行表征测试,研究复合碳材料的制备条件对电化学性能的影响.结果显示,碳材料以介孔为主,平均孔径为3.62 nm,比表面积为497 m2·g-1;在CTAB与GO质量比为1∶1,p H=9,条件下制得的复合碳材料,在6 mol·L-1KOH电解液中的质量比电容为113 F·g-1.     

N,S双掺杂活性炭的制备及其电化学电容性能

以人发和蔗糖为炭源,通过水热碳化法和相继的KOH活化法,成功制备了N,S双掺杂活性炭.通过SEM、氮气吸附和XPS对所制备的碳材料的形貌、结构和表面性质进行了详细的表征.在6mol·L-1 KOH电解液中,对所制备的碳材料的电化学电容性能进行了测试.由于N、O、S等多种类的元素掺杂所表现出来的协同效应,所制备的碳材料表现出较大的赝电容,在6mol·L-1KOH电解液中的比电容值可以达到174.5F·g-1.实验利用可再生生物质,成功制备出了多种杂原子掺杂的碳材料,该碳材料拥有高比表面积和优异的电化学性能.     

模板剂对介孔碳孔道结构及有序性的影响

分别以三嵌段聚合物F127、P123以及P123/F127作为模板剂,酚醛树脂为有机碳源,采用溶剂挥发自组装法制备有序介孔碳材料。采用XRD,TEM和N2吸/脱附等手段对有序介孔碳进行表征,研究F127、P123及P123/F127复合模板剂对介孔碳孔道结构及有序性的影响。结果表明,使用单一模板剂时,F127较P123更易产生有序六方介孔结构;使用P123/F127复合模板剂,介孔碳有较好的二维六方有序性,介孔孔容和比表面积较单独使用F127作模板分别提高了50%与31%;当m(P123)/m(F127)=1/3时,所得介孔碳BET比表面积为498.5 m2/g,介孔孔容和比表面积分别为0.173 cm3/g和167m2/g,平均孔径为3.41 nm。     

聚苯胺/介孔炭复合材料的合成与电化学电容性能研究

利用化学聚合法合成聚苯胺/介孔炭复合材料,并将其用作超级电容器电极材料.采用氮气吸附技术和扫描电子显微镜对复合材料的结构进行了表征.在10 wt%硫酸为电解质溶液的三电极体系中,采用循环伏安和恒流充放电技术测试了复合材料的电化学电容性能.与纯的介孔炭电极材料相比,导电聚苯胺的引入使复合电极材料的比电容值显著提高.     

氮掺杂多孔碳的制备及其电化学性能研究

利用溶剂挥发结合高温热聚合法制备了氮掺杂多孔碳(NPC)材料,并通过SEM、TEM、TG、N_2吸附-脱附、XPS等表征手段对样品的微观形貌结构和元素组成进行了分析.结果表明,氮元素掺杂明显增加材料的比表面积和孔体积,当制备的氮掺杂多孔碳材料的含氮量为4.2%(原子分数)时,它的比表面积高达422.0m~2/g高于没有氮掺杂样品的301.1m~2/g.此外,采用循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗对NPC材料的电化学性能进行了深入研究.测试结果表明氮元素掺杂能够明显增加材料的比电容量,降低材料的内阻,极大提高碳材料的电化学性能.在0.5A/g的电流密度下,通过氮元素掺杂使得材料的比电容从83.8F/g提高至162.8F/g,内阻值从1.39Ω降低至0.47Ω;并且所得的氮掺杂多孔碳样品具有良好的倍率性能和循环稳定性.     

以天然植物为模板合成复合孔材料

以青麻和龙菜两种植物为大孔模板,以三嵌段共聚物为介孔相模板合成高度有序的多级复合孔材料.以青麻杆为大孔模板合成具有双大孔道及其孔壁为介孔相的三级高度有序的复合材料;以龙菜杆芯为模板合成具有二级孔道结构的复合孔材料.这一复合孔材料克服了大孔材料比表面积低和复合孔材料中介孔相有序性不高的问题,使其既具有大孔结构,又具有介孔相较大的比表面积.     

硝酸改性的SAPO-11模板炭的孔径分布及电化学性能研究

利用质量分数为60%硝酸直接氧化以SAPO-11为模板、蔗糖为碳源、2步液相浸渍法合成的介孔炭,并对材料的形貌和结构进行了表征.结果表明,介孔炭的表面形貌和孔道结构发生了变化,且成功地修饰了含氧官能团,其比表面积由967.8 m2/g增大到1 015 m2/g,孔容由0.61 cm3/g提高到0.84 cm3/g.综合分析多孔炭材料在1 mol/L H2SO4电解液中的电化学性能,结果表明硝酸氧化后的多孔炭材料具有更大的比电容(189 F/g),比电容保持率达96.8%,以及较好的导电性和循环性能.     

模板法合成介孔锂离子电池正极材料LiFePO4

以表面活性剂为模板通过自组主装的方式合成了介孔的锂离子电池正极材料LiFePO4.采用XRD、SEM、BET和电化学测试对材料的结构、形貌、比表面积和电化学性能进行表征.介孔LiFePO4的平均粒度在200～300 nm,首次放电比容量可达133.2 mAh/g.介孔LiFePO4的电化学性能与非孔结构的LiFePO4相比有很大提高.     

CO2活化温度对碳气凝胶超级电容器性能的影响

通过改变间苯二酚、甲醛和碳酸钠的配比,实现对碳气凝胶材料孔结构的控制.通过改变CO_2活化的温度,研究活化温度对碳气凝胶孔结构和电化学性能的影响.利用氮气吸脱附实验(BET)和扫描电子显微镜(SEM)对材料的孔结构和表面形貌进行表征分析,运用循环伏安法(CV)、恒流充放电等技术对材料的电化学性能进行测定.结果表明:提高CO_2活化温度有利于改善材料的结构和性能,当CO_2活化的最高温度为1 000℃时,碳气凝胶具有最高比表面积(2 201m~2/g);在6mol/L的KOH溶液中,当电流密度为1A/g时,相应的比电容可达190F/g.     

介孔碳的制备及其对锂硫电池性能的影响

文章采用硬模板法制备了介孔碳,与单质硫混合制备了锂硫电池正极材料,采用BET、XRD、FESEM等测试手段对材料的性能进行表征,并研究了以介孔碳、导电石墨和碳纳米管为导电基体的锂硫电池的电化学性能。结果表明,硫/介孔碳复合材料为正极的电池在0.1C的放电倍率下首次放电比容量为1 389mA·h/g,0.2C倍率下首次放电比容为1 313mA·h/g,100次循环后,库仑效率保持在95%以上,其电化学性能在3种复合材料中最优。     

无机介孔材料在第三代电化学生物传感器中的应用研究

无机介孔材料是一种孔直径在2,50nm的多孔材料。这种材料具有结构规则,机械性能高、化学和热能稳定性好等特点。近年来,随着材料合成技术的提高,不断有新型高负载能力和生物相容性好的介孔材料被开发出来。同时,实验表明,无机介孔材料是固载生物大分子的良好载体。利用无机介孔材料固载氧化还原蛋白质并结合其的直接电子转移,为我们提供了一种新的构建第三代生物传感器的方法。基于无机介孔材料的特点及氧化还原蛋白质的直接电子转移,所构建的第三代电化学生物传感器有望具有较传统电化学传感器更好的性能。将介孔材料分为二氧化硅基和非二氧化硅基2大类,描述了无机介孔材料在第三代电化学生物传感器中的应用。     

中间相沥青基介孔炭的表征及其用作锂离子电池负极材料的电化学性能

以中间相沥青为碳源、CaCO_3为模板,制备中间相沥青基介孔炭(MPMC)。采用XRD、SEM、TEM等手段表征所制介孔炭的结构和形貌,并将其用作锂离子电池的负极材料,测试电化学性能。结果表明,所制MPMC具有丰富的介孔结构和较大的比表面积及孔体积,随着CaCO_3质量分数的增加,MPMC的比表面积和孔体积先增加后减小,当CaCO_3的质量分数为70%时,所制MPMC的比表面积和孔体积最大;MPMC用作锂离子电池负极材料具有良好的电化学性能,能有效提高锂离子电池的可逆比容量,具有良好的循环稳定性和倍率性能。     

玉米面衍生的三维孔碳电极材料的绿色合成与超级电容器性能

为了获得性能优异的超级电容器电极材料,选择廉价的玉米面作为碳前驱体,利用简单的硬模板方法,以容易水洗去除的碳酸钠为大孔模板、氢氧化钾为活化试剂,制备了兼具大孔、介孔和微孔的三维分级孔碳材料.分别采用扫描电镜、氮气吸附脱附、恒流充放电、循环伏安及交流阻抗等测试方法,对材料的形貌、孔结构和电化学储能性能进行表征.结果表明:所得孔碳材料具有良好的分级孔结构特点,其比表面积高达1 365.2 m2/g.电流密度为0.5 A/g时,比电容高达245 F/g;电流密度为20 A/g时,电容量保持率为93.5%.在5 A/g的电流密度下,循环10 000圈后,电容量仍能保持在97.3%.组装所得对称超级电容器的能量密度和功率密度分别达到29.2 W·h/kg和500.6 W/kg,说明该孔碳材料在超级电容器方面具有很好的应用前景,合成方法成本低、绿色环保,预计能够在大规模制备三维孔碳基纳米材料方面得到广泛应用.     

无机硬模板HMS制备介孔碳工艺

以硅基介孔材料HMS(hexagonal mesoporous silica)为硬模板,以蔗糖为碳源,通过在N2气氛下高温碳化蔗糖,并利用氢氟酸除去模板制成介孔碳.分析了蔗糖填充方法、碳化温度和蔗糖与HMS的质量比对产品介孔碳结构的影响,并利用X衍射衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、低温氮吸附-脱附及傅里叶红外(FT-IR)对样品进行了表征.结果表明,将一定量的蔗糖分两步填入HMS介孔中有利于碳源在模板孔道中均匀分布,有助于有序介孔碳的形成;碳化温度对最终产品碳的结构影响显著,适宜的碳化温度为800℃;蔗糖与HMS的质量比也直接影响产品的结构,两者的质量比过高或过低均难以形成介孔碳,最优比例为1.300∶1;所制成的介孔碳具有蠕虫状结构,比表面积可达2433m2/g.     

用科学思维在微观世界 "异想天开"

2021年11月3日,国家科学技术奖公布.中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元、教授李伟等完成的"有序介孔高分子和碳材料的创制和应用"项目,原创性提出了有机-有机自组装思想,创制了有序功能介孔高分子和碳材料,揭示了介孔独特的物质输运和界面反应规律,获得国家自然科学奖一等奖.这也是18年来上海再次获得国家自然科学奖一...     

高浓度壳聚糖均相溶液衍生的分级多孔碳材料

采用双氧水降解法制备能溶于碱性溶液的质量分数高达9％ 的壳聚糖溶液,以该均相溶液作为碳前驱体的原料、氢氧化钾为活化剂,利用碳酸氢钾高温产生气体来增加孔隙率和比表面积,采用冷冻干燥和高温碳化的方法制备活性炭电极材料,并测试分析其表面形貌、微观结构及电化学性能.结果显示:制备的碳材料具有分级的复杂三维孔结构,微孔、介孔、大...     

酰胺基改性的介孔MCM-41锚定Cu(Ⅱ)杂化材料的合成和表征

利用介孔分子筛MCM－41内孔壁表面的硅羟基，成功地将酰胺基团嫁接天介孔材料的孔壁上，并通过该官能团与铜离子形成配位键，合成了Cu(Ⅱ）复合物修饰的MCM－41新材料。通过XRD、BET、SEM－EDX、ICP和TG等手段对该杂化材料进行了表征。结果表明，修饰过的MCM－41的有序度降低，比表面积和孔容都有所下降；而铜离子均匀分布在有机－无机杂化材料中。