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.     

熔盐法处理废旧聚丙烯腈纤维制备超级电容器碳材料及性能表征

以废旧纺织品聚丙烯腈为碳源,在氯化锌-氯化钾熔盐体系一步碳化活化制备超级电容器碳材料.通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、比表面分析仪等物理测试方法对材料进行结构、形貌和孔隙表征.并利用电化学工作站在三电极体系下对制备的碳材料进行循环伏安(CV)、恒流充放电(GCD)和交流阻抗(EIS)测试.结果表明,通过在空气中200℃稳定化10 h、氯化锌-氯化钾熔盐体系中800℃下炭化2 h制备的活性炭具有较大的比表面积和发达的孔结构,作为超级电容器电极材料展现出优异的电化学性能.在0. 25 A/g电流密度下最大比电容达319 F/g;在电流密度高达10 A/g下,比电容仍保留62. 7%.经过5 000次充放电循环性能测试,容量保持率可达82. 6%.     

孔道结构对有序介孔炭电化学性能的影响

以三嵌段共聚物（F127）为模板剂,间苯二酚（R）和甲醛（F）为碳前驱体,在外加的酸性条件下通过自组装的方法制得了F127/RF复合材料,然后经碳化处理得到具有高度有序孔道结构的介孔炭材料（OMCs）,通过XRD、TEM、N₂吸/脱附手段(77K低温下)对其进行结构表征。测试结果表明有序介孔炭材料的BET比表面积和总孔体积分别为770m²/g和0.65cm³/g。以有序介孔炭材料为电极制备超级电容器,对其进行直流恒流充放电测试、循环伏安测试和交流阻抗测试,结果显示在电流密度为0.02A/g时OMC-3比容量为130F/g,100次充放电循环后电容量保持率在99%以上。     

中孔炭的制备及其在超级电容器中的应用

以中孔硅分子筛SBA-15为模板,蔗糖为炭源,炭化温度为700℃制备中孔炭材料,利用透射电镜(TEM)和N2吸脱附等温线表征该材料的结构与形貌.以中孔炭材料为超级电容器的电极材料,组装成扣式电容器进行循环伏安、恒流充放电、交流阻抗、漏电流、自放电、循环寿命等电化学测试.结果表明:样品孔结构呈二维六角有序分布:该样品的孔体积为1.88 cm3/g,比表面积为1 394m2/g,具有典型的中孔结构和集中的中孔分布,它的最可几孔径为3.4 nm;制备的中孔炭作电极材料组装的超级电容器有良好的电化学性能,在500 mA/g的充放电电流密度下,循环10 000次的平均比电容高达95 F/g,比容量波动范围仅为-4%～4%.     

无模板法制备多孔聚苯胺及其电化学性能

通过以极慢的速率滴加氧化剂水溶液方式,构建了受限的油水反应界面,在无模板条件下制备了多孔聚苯胺,并研究了产物的结构和用作超级电容器电极材料的电化学性能.结果表明:产物为银耳状多孔结构,富含小于10 nm的中介孔.在电流密度为1 A/g时,充放电时间近似对称,比电容高达441 F/g,经2000次充放电循环后,比电容损失...     

沸石咪唑骨架衍生空心纳米电极材料可控制备及其电化学性能研究

超级电容器是介于可充电电池和传统电容器之间的一种新型储能器件。它具有高功率密度、快速充放电和环境友好等优点。在众多应用于超级电容器的电极材料中,金属有机骨架材料因具有大的比表面积,可灵活调控的组成和结构,是十分理想的电极材料之一,又由于其易于合成、独特的结构和反应特性,也是制备纳米结构电极材料的理想模板之一。以沸石咪唑骨架（zeolitic lmidazolate framework,ZIF）-67为前驱体,采用二水合钼酸钠盐溶液刻蚀的方法成功制备了空心CoMo 层状双金属氢氧化物（layered double hydroxides, LDH）纳米笼结构,同时还讨论了钼酸钠的用量对最终产物形貌和性能的影响。当用作超级电容器电极材料时,所制备的空心Co₁Mo₅ LDH在1 A/g的时候最多可提供578 F/g的比电容,当电流密度增加到10 A/g时,比电容保持在346 F/g。与活性炭组装成非对称超级电容器后,该储能器件在功率密度750 W/kg时,能量密度最大可达到21.25 W·h/kg。在5 A/g的电流密度下,经过15 000次充放电循环后,仍保持了90%的初始容量。     

花状Zn0.76Co0.24S纳米材料的制备及电化学性能研究

采用简单的水热合成法制备了双过渡金属硫化物Zn_0.76Co_0.24S纳米材料,并作为超级电容器电极材料。该材料具有花状多孔的微观形貌,花瓣为超薄纳米片结构。这样独特的结构能为电化学反应提供丰富的活性位点,为离子的传输提供便利的通道,同时也为反复充放电过程中材料体积的变化提供了缓冲空间。三电极体系测试结果表明：Zn_0.76Co_0.24S电极在电流密度为1 mA/cm²,比电容高达2 031.0 C/g;当电流密度增大到30 mA/cm²时,电容量仍可保持在888.9 C/g;在电流密度为10 mA/cm²下循环充放电5000圈,电容量保持率为90.25%,表现出较高的电容量、优异电容稳定性以及循环性能。采用Zn_0.76Co_0.24S电极与活性炭(AC)构建的混合超级电容器Zn_0.76Co_0.24S//AC也展现了令人满意的性能。     

氮掺杂多孔薄层石墨烯的制备、表征及电容性能研究

以氧化石墨烯(GO)为原料、硫酸铵((NH_4)_2SO_4)为动态气体模板剂,采用浸渍结合焙烧工艺制备了氮掺杂多孔薄层石墨烯(p-Gr).利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X-射线衍射(XRD)、X-射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、氮气吸附-脱附(N_2adsorption-desorption)等手段对所得材料进行了表征,并考察了不同硫酸铵用量对所制材料电容性能的影响.结果表明,与未活化的石墨烯(Gr)相比(S_(BET)=70.5m~2/g),所制p-Gr-40具有更大的比表面积(S_(BET)=267.3m~2/g)、更为丰富的孔结构以及优异的电化学性能.在三电极超级电容器中,在电流密度为1A/g时,p-Gr-40比电容可达139.2F/g,远远高于Gr(56.5F/g);在对称两电极超级电容器中,在功率密度为160.03W/kg时,p-Gr-40的能量密度为12.98Wh/kg,其比电容在充放电循环10 000圈后仍保持基本不变.这些优异的电化学性能源于其多孔结构及杂原子(如氮)掺杂.     

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。     

MnO2/碳纳米球电化学超级电容器电极材料的制备与性能研究

利用水热法合成了纳米棒状的MnO_2/碳纳米球(CNPs)作为电化学超级电容器的电极材料.利用场发射扫描电镜(FESEM)、X射线衍射光谱分析(XRD)对样品的微观形貌、物相进行分析;利用循环伏安法和恒电流充放电测试材料的电化学性能.结果表明:纳米棒状MnO_2/CNPs复合材料具有良好的电化学性能.在0.1 A/g的电流密度,1 mol/L Na_2SO_4电解液中,电极材料的比电容高达305.6 F/g,远高于纯碳球的比电容(49.3 F/g),当电流密度增至5 A/g时,材料的比电容为235 F/g,比电容仍能保持76.9%.     

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.     

MnO_2/碳纳米管膜柔性复合材料的制备及其电容性能

为了获得比电容大、工作稳定性高的柔性超级电容器,在碳纳米管膜上利用恒电流沉积法在不同沉积时间和沉积电流密度下沉积MnO_2,制备出了MnO_2/碳纳米管膜柔性超级电容器电极材料.分别利用扫描电镜和X线衍射对所得电极材料的形貌和结构进行表征,并通过恒电流充放电测试和交流阻抗谱研究了复合材料的电容性能.结果表明:复合材料的电容性能可以通过调节MnO_2的沉积电流密度和沉积时间来控制;沉积电流密度为1 A/g、沉积时间为20 min条件下制备所得MnO_2/碳纳米管膜复合材料的比电容可达356 F/g,是纯碳纳米管膜比电容的7.5倍.此外,MnO_2/碳纳米管膜复合材料的比电容经200次充放电循环后维持在初始值的96.6%,显示出良好的循环稳定性,在高性能柔性超级电容器应用方面展现了一定的前景.     

MOFs衍生多孔碳/MnO_2复合材料及其在超级电容器中的应用

利用高比表面积、大孔隙率金属有机骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs)作为牺牲模板,制备了MOFs(ZIF-8)衍生多孔碳材料(PCs),以其作为导电基底,在表面生长金属氧化物MnO_2,获得MnO_2/PCs复合材料并将其应用在超级电容器中.制备的复合材料具有良好的电化学电容性能,在三电极体系中,1 A·g~(-1)的电流密度下比电容可达199 F·g~(-1),经过2 000次充放电循环后,比电容仍能保持初始值的80%.使用MnO_2/PCs复合材料作为正极,PCs作为负极,组成的非对称型电容器MnO_2/PCs//PCs具有优异的电化学储能性能,在950 W·kg~(-1)的功率密度下,能量密度高达10.16 Wh·kg~(-1);而且当功率密度上升为9 500 W·kg~(-1)时,能量密度仍可以保持4.48 Wh·kg~(-1).     

氮掺杂多孔MOF衍生碳电极的构筑及其电化学性能

通过两步法成功将氮掺杂石墨烯量子点(N-doped graphene quantum dots,N-GQDs)与金属有机骨架衍生碳材料(cZIF-8)组合制备出N-GQDs@cZIF-8超级电容器.1 mol/L H_2SO_4电解质中,该电极在0.5 A·g~(-1)电流密度下具有246.6 F·g~(-1)的比容量,在循环8000次时仍然保持83.7%的容量保留率,展现了优异的循环稳定性.同时, NGQDs@cZIF-8超级电容器在104.5 W·kg~(-1)的功率密度下获得了8.2 W·h·kg~(-1)的优异能量存储能力,这样显著的电化学性能主要因其具有高比表面积的三维结构和高赝电容活性的氮掺杂水平(10.13%),使其在超级电容器、锂离子电池等能量存储领域具有潜在的应用前景.     

以镍氨离子诱导的氧化煤基沥青凝胶制备多孔炭的研究

煤焦油沥青是制备多孔炭材料的一种重要原料,具有高碳含量和低成本的优点。通过用浓硫酸/硝酸氧化煤沥青制备出氧化沥青(Pitch Oxide,简称PO),并利用PO的水溶性,引入镍氨,使二者发生静电作用形成凝胶。在干燥和碳化过程中,镍氨充当模板。经过碳化和KOH活化后,由PO和镍氨凝胶所制备的多孔炭(PC)具有较高的比表面积和较大的孔体积,优化后的PC比表面积可达到1 871.2 m~2/g,孔体积可达到1.17 cm~3/g。在6.0 mol/L KOH电解质中,优化后PC的电容(C_s)在电流密度为0.25 A/g时可达到248.1 F/g。其组装的对称电容器在62.5 W/kg的功率密度下,能量密度可达到8.61 Wh/kg,并具有良好的循环稳定性(10 000次循环后C_s保持86.1%)。     

沥青基活性碳纤维的电容特性

以通用级沥青碳纤维为原料,经催化活化制备了用于超级电容器电极材料的活性碳纤维,对比了未浸渍钴盐活化、浸渍钴盐活化并用稀酸清洗前后活性碳纤维的孔结构及其孔径分布。采用直流循环充放电、循环伏安以及交流阻抗表征了活性碳纤维电极电化学性能,组装成硬币式两电极模拟电容器测试其循环性能和漏电性能。结果表明,与未浸渍钴盐活化工艺相比,浸渍钴盐活化使得活性碳纤维表面大孔和中孔结构明显增加,经稀酸清洗后的活性碳纤维表面孔隙结构更加丰富; 浸渍钴盐活化并用稀酸清洗所得活性碳纤维电极的比电容高达197F/g,较未浸渍钴盐活化样品提高50%; 在1.5A/g的条件下充放电,其比电容为163F/g,经2000次循环后电容量提高了23%。     

分级多孔纳米炭纤维的结构及电容性能

以酚醛树脂为碳源、PVP为纺丝助剂、纳米MgO颗粒为模板剂,通过静电纺丝法制得酚醛树脂基纳米炭纤维,经过炭化、KOH活化、酸洗后得到分级多孔纳米炭纤维,利用SEM、XRD、XPS、拉曼光谱仪及氮气吸脱附实验,对所制多孔纳米炭纤维的结构和形貌进行表征,并将其作为模拟电容器的电极,利用循环伏安、恒电流充放电及交流阻抗方法测试了材料的电化学性能。结果表明,KOH活化引入了数量可观的微孔,所得纳米炭纤维表现出明显的"微孔-中孔-大孔"分级孔分布的特点,其比表面积达到1058.4m~2/g,总孔容为1.64cm~3/g。电化学测试结果表明,所制分级多孔纳米炭纤维在6mol/L KOH电解液中显示出优异的电容性能,在0.2A/g的电流密度下,其放电比容量达到198F/g,在20A/g电流密度下,电容保持率达到65%。     

海藻酸钠修饰LDH制备多孔炭及其电化学性质

研究分别以Mg-Al-LDH,Zn-Cr-LDH和Mg-Cr-LDH为模板,海藻酸钠为前驱体在600℃下炭化制备的多孔炭发现,多孔炭的BET比表面积从173m2/g增加到497m2/g,而海藻酸钠自身炭化所得多孔炭的比表面积仅为95m2/g。电化学研究表明,以Mg-Cr-LDH为模板制备的多孔炭(PC—4)电极的循环伏安曲线图形更接近矩形,阴极和阳极过程基本对称;在恒电流充放电实验中,50mA/g的电流密度下PC—4电极的电容为92F/g且电流密度为500mA/g时充放电循环1000次后电容损失小于1%。比表面积、孔结构和电化学研究表明,海藻酸钠修饰LDH制备的多孔炭具有作为超级电容器电极材料的潜在价值。     

层状结构α-Ni(OH)_2/膨胀石墨纳米复合材料及其电化学性能

以层状膨胀石墨为模板,采用化学浴沉积法首次制备了α-Ni(OH)2/膨胀石墨(α-Ni(OH)2/EG)层状结构的纳米复合材料,分别利用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射测试其表面形貌及结构.利用热重分析来检测α-Ni(OH)2在复合材料中的负载量.使用循环伏安和恒流充放电测试等表征其电化学性能.结果表明,制备的α-Ni(OH)2/EG纳米复合材料表现出了优异的电化学性能:在6mol/L KOH电解质溶液中的比电容达到1 180F/g(0.5A/g的电流密度),对应的有效α-Ni(OH)2比电容高达1 920F/g;同时,该复合材料在10A/g的大电流密度下依然能保持较高的比电容(585F/g).优秀的循环稳定性能进一步保证了其成为超级电容器电极材料的合适选择.     

CoO@ Ni-Co-S无粘结剂电极材料非对称型超级电容器性能研究

采用水热法和电化学沉积法在泡沫镍上制备了CoO@ Ni-Co-S电极材料,并对其进行了SEM、XRD、XPS表征和电化学性能测试.结果表明:本材料具有较高的电化学性能,在电流密度为1 A/g时,比电容为1 352 F/g;电流密度为10 A/g时,比电容仍能达到1 055 F/g;进一步通过稳定性测试研究发现,在电流密度为2 A/g下充放电2 000次,电容保留率为87%.以CoO@ Ni-Co-S复合材料作为正极,活性炭作为负极构筑非对称型超级电容器,该装置在电流密度为1 A/g时,比电容为209 F/g,操作电压窗口为1. 7 V,功率密度为2. 99 k W/kg时,能量密度可达39. 7 Wh/kg.