纤维素导电气凝胶及其复合材料在超级电容器中应用的研究进展

概述了纤维素气凝胶通过炭化和复合导电物质实现导电功能的技术手段,及其在超级电容器中的应用研究现状。重点介绍了纤维素导电气凝胶孔结构及其复合结构对超级电容器电化学性能的影响,包括:依据电解液离子大小调控电极材料的孔结构和孔径分布,优化双电层电容行为;借助石墨烯等高导电性物质提高复合材料的导电性和比表面积,实现复合电极材料性能的增强及其在柔性能源储存装置中的应用;结合纤维素炭气凝胶优良的导电性与结构稳定性以及金属化合物高的赝电容和大的能量密度特性,实现复合电极材料中双电层电容和赝电容的协同增效作用。最后针对纤维素导电气凝胶及其复合材料在制备和超级电容器应用中面临的机遇与挑战,指出未来发展方向。     

糠醛渣多孔炭的制备及其在超级电容器中的应用

随着经济的发展和社会的进步,人们对具有长的循环寿命、高的功率密度和绿色廉价的能源设备的需求逐渐增加,基于生物质活性炭的超级电容器近年来备受关注。然而,生物质基活性炭的电化学性能仍然缺少竞争力,此外,对其微观结构的控制也是较大难题。笔者以糠醛渣为原料,KOH为活化剂,在氩气氛围下通过两步炭化的方法制备三维多孔炭材料,并将制备的多孔炭用做超级电容的电极材料。通过SEM、TEM、Raman、XPS、XRD等手段系统分析表征了所获多孔炭材料的形貌、结构、组成,并探讨活化剂的比例对糠醛渣多孔炭结构性能的影响。研究结果表明:当KOH和糠醛渣的质量比为3∶1时,所制备的多孔炭材料比表面积为2 164.3 m~2/g,具有良好的电容性能(当电流密度1 A/g时,比电容为235.6 F/g)、倍率性能和循环稳定性(当循环充放电10 000次后,比电容仍能保留96%以上)。本研究从生物精炼废弃物中制备了性能优异的超级电容器用活性炭,为降低高性能超级电容器成本,实现生物质的高值化应用提供新思路。     

石墨烯改性椰壳活性炭复合材料的制备及其电化学性能研究

以椰壳为原料,水蒸气活化法制备了椰壳活性炭(AC),并以乙醇和水作为溶剂,采用水热法将AC与石墨烯(GR)按质量比90∶0、90∶5、90∶54、90∶90和54∶90复合,将制得的复合材料(GAC1~GAC5)作为电极应用于超级电容器。通过氮气吸脱附、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)方法表征了活性炭的孔结构和表面形貌;采用循环伏安(CV)、恒电流充放电(GCD)方法分析比较不同复合比例下超级电容器电极材料的性能。实验结果表明:在炭化温度800℃,活化温度900℃及活化时间1.5 h的条件下制备的椰壳活性炭比表面积为2482 m^2/g,其孔径主要分布在2~4 nm,孔容可达1.33 cm^3/g,在6 mol/L KOH电解液中比电容为85 F/g,石墨烯改性的复合材料GAC-5作为电极材料具有优异的电化学性能,在电流密度1 A/g时比电容可达186 F/g。     

生物质基SiC陶瓷材料制备及应用研究进展

生物质基SiC陶瓷是一种环境友好的新型材料,具有硬度高、抗氧化、耐腐蚀、力学性能优异等特点,因而受到越来越广泛的关注。文中主要阐述了国内外学者对生物质基SiC陶瓷材料制备方法及应用的研究进展,包括以木材、竹材、稻壳、纸张、废弃棉绒等生物质材料为碳模板,运用液态渗硅法、溶胶凝胶-碳热还原法、气相渗透法3种方法制备生物质基SiC陶瓷方面的研究现状,以及对其作为电磁屏蔽材料、防弹材料、电容器、电极材料、催化剂材料等方面的应用进行了探讨,并分析了当前SiC陶瓷研究存在的问题及未来发展趋势。     

氮掺杂竹炭基超级电容器电极材料制备与表征

以竹炭为前驱体、三聚氰胺为氮源、碳酸钾为预活化剂,采用两次活化工艺成功制备了氮掺杂竹活性炭超级电容器电极材料。利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、比表面积及孔隙分析(BET)和X射线光电子能谱(XPS)等测试方法对制备的电极材料的形貌、结构、化学成分进行表征。通过控制活化过程中的炭碱比(质量比)优化样品的电化学性能,结果表明:炭碱比为1∶1时制备的NC-1样品比表面积高达1 984.4 m2/g,平均孔径为1.26 nm,样品具有清晰的介孔以及内部蠕虫状的微孔。炭材料中氮元素和氧元素含量(质量分数)分别为2.20%和4.65%,有利于增加活性炭表面的亲水性和赝电容,从而提高其比电容量。经电化学性能测试,NC-1样品循环伏安曲线(CV曲线)具有良好的对称性,呈近似矩形;其中在低电势窗口出现明显的宽峰,表明充放电过程中材料表面的含氮官能团与电解液之间发生氧化还原反应,贡献赝电容。恒流充放电显示在1 A/g电流密度下质量比电容高达224 F/g,与未采用该活化工艺的样品比较提高了86.7%。在50 A/g电流密度下其质量比电容高达144 F/g,且在10 A/g下经5 000次循环充放电后仍可达到93%的初始电容保持率,显示了氮掺杂竹活性炭超级电容器电极材料较优异的电化学性能和稳定的循环性能。     

竹炭及其复合材料在超级电容器中的应用研究进展

详细阐述了竹炭基超级电容器材料的作用原理、制备工艺和影响因素,介绍了其结构设计和工艺方面的研究进展。相对于单一活性竹炭材料,重点分析了以竹炭作为赝电容材料生长/嵌合模板的竹炭基复合材料,赝电容材料与电解液界面之间发生的氧化还原反应,体现出双电层和赝电容的高效协同效应,使竹炭基碳材料具有更为广泛的应用领域。在总结当前竹炭基超级电容器材料研究成果及所面临问题的基础上,对利用我国丰富的竹材资源在超级电容器领域的应用前景进行了展望。     

KOH共热法和水热活化法制备多孔竹活性炭的比较

我国竹材资源丰富,以竹废料为原料,制备可用于超级电容器电极材料的竹活性炭,有助于推动竹产业发展,助力国家“双碳”目标实现。在本研究中,分别采用KOH共热和水热处理对竹粉进行活化,并对制备的竹活性炭进行电化学性能、比表面积、表面微观形貌等测试。实验结果表明,KOH共热活化法的最佳条件为炭化温度350℃,活化温度900℃,升温速率2℃/min,碱炭质量比4∶1;制备的活性炭比表面积为3 299 m²/g, 0.5 A/g电流密度下的比电容为287.8 F/g, 5 000次充放电测试后,电容保持率为95%～105%。水热活化法的最佳条件为KOH质量分数20%,反应温度150℃,反应时间12 h,制备的活性炭比表面积为192.91 m²/g, 0.5 A/g电流密度下的比电容为170.4 F/g,电容保持率为88.89%。2种方法制备的活性炭孔径结构都是以微孔为主,中孔混合分布,含有少量大孔;2种活性炭均含有双层或多层石墨烯结构,但水热活化法制备的活性炭石墨化程度更高,制备条件更温和。研究结果既可为超级电容器用活性炭的研究提供了理论思路,也有效地扩...     

MOF衍生物/生物质碳基钠电池电极材料的研究进展北大核心

钠(Na)电池具有原料成本低、储量大、能量密度较大等特点,是极具发展前景的下一代电池材料之一。生物质具有可持续发展、环境友好、结构多样和高反应活性等优点。由金属-有机骨架(MOF)衍生物和生物质材料制备的多孔碳基材料能够提供主体框架,利用孔结构增大碳的层间间距,保证足够的层间空间用于Na^(+)插入,促进电子转移,从而提高电池的电化学性能。综述了常见的生物质碳基材料、MOF及其衍生物、MOF/生物质复合材料钠电池负极材料的相关研究进展,以期为开发高性能MOF衍生物/生物质碳基复合钠电池电极材料提供理论依据。     

水蒸气活化制备超级电容器木质活性炭的研究

为了制备价格低廉、性能优良的超级电容器活性炭,以马尾松为原料,采用常规的水蒸气活化法制备了超级电容器木质活性炭。采用元素分析,N2吸附/脱附等手段分析了活性炭的元素含量和孔隙结构;采用循环伏安、恒电流充放电和交流阻抗等方法,分析了活性炭电极在以1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐/乙腈为电解质溶液的超级电容器中的电化学性能,考察了活化温度、活化时间对木质活性炭电化学性能的影响规律。结果表明:随着活化温度的升高,活性炭的比电容量先增后降;随着活化时间的延长,活性炭的比电容量也呈现先增后降的变化趋势。在炭化温度900℃、活化温度900℃和活化时间1 h的条件下制得的活性炭比表面积高达1 647 m~2/g,总孔容积1.00 cm3/g;在5 m V/s的扫描速率下活性炭电极的比电容量最高,达到155 F/g,且倍率性能和循环稳定性良好,循环5 000次后比电容量保持率89%;其在有机电解液中的能量密度高达33.6(W·h)/kg。     

活性炭作为电能储存与能源转化材料的研究进展

活性炭是一类传统的、可工业化生产的多孔质炭材料,由于它具有高的比表面积,可调的孔隙结构与表面化学性质、稳定的物理化学性质以及良好的导电性,因此,活性炭不仅在环保、化工、食品和医药等领域中得到广泛应用,而且具有储存电能和电催化转化燃料的潜力,在超级电容器和燃料电池等新型能源器件领域显示出巨大的应用前景。笔者综述了活性炭作为超级电容器和燃料电池电极材料的主要研究进展。在超级电容器方面,活性炭是作为储存电能的材料,主要综述了活性炭作为超级电容器电极材料的应用历史,气体活化法、化学药品活化法、碱金属活化法等常规方法制备的活性炭储存电能的性能,活性炭表面含氧、氮、硫和磷表面官能团对超级电容器活性炭电化学性能的影响规律,活性炭表面改性技术在超级电容器活性炭方面的应用。在燃料电池方面,活性炭是作为阴极反应的催化剂材料,主要综述了活性炭作为碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池和微生物燃料电池阴极材料的研究现状,炭材料催化燃料电池的阴极反应,即氧气还原反应的表面结构特点与反应机理。通过分析总结,明确了活性炭作为新型能源材料的未来发展方向。     

纤维素基电极材料在柔性超级电容器中 的应用研究进展

纤维素是自然界中一种轻质、生物相容性好以及柔韧性强的生物高分子材料,在柔性超级电容器、生物传感器以及电磁屏蔽等领域得到了广泛应用。在柔性超级电容器领域中,纤维素基材料的多羟基结构是电解质离子传导的良好介质,有助于提高电极材料的电容特性以及循环特性,并且易与导电活性材料(如:石墨烯、碳纳米管、导电高分子)通过涂布、共混、层层自组装以及原位聚合等方法构建导电框架以制备柔性电极材料。综述了基于纤维素材料的柔性超级电容器电极开发的相关研究,重点介绍了基于不同纤维素基原料(原生纤维素、纳米纤维素以及纤维素衍生物)制备柔性超级电容器电极的方法以及所得电极的电化学性质,分析归纳了纤维素基材料在柔性电极中的主要作用:作为骨架支撑柔性电极材料、充当柔性基底(可兼有隔膜作用)、形成多孔结构传输电解质离子。最后,对纤维素材料在柔性电极材料领域的发展趋势进行了展望。     

柔性薄木/纳米碳材料复合电极的微观结构与电导性能

【目的】基于木材天然的多孔性、亲水性以及优良机械性能,将薄木切片作为柔性的支撑材料和载体材料与2种纳米碳材料有机结合,制备一种新型柔性薄木/纳米碳材料复合电极,并对其微观结构与电导性能进行研究,为木材功能化和高附加值化提供一种新的研究方向。【方法】利用物理切片方式得到完整性和柔韧性良好的薄木切片,再将纳米碳材料氧化还原石墨烯(RGO)、羧基化多壁碳纳米管(CMWCNT)逐层沉积到薄木表面,借助冷场发射扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、四探针电阻率测试仪和电化学工作站等手段研究薄木/纳米碳材料复合电极的微观形貌、化学结构、电导性和电化学性能,重点探索纳米碳材料与薄木切片的附着机制和界面结合机制。【结果】RGO通过非共价π-π堆积在薄木表面形成褶皱状纳米薄膜结构,CMWCNT则呈不规则颗粒状形貌;横切面薄木/纳米碳材料复合电极呈多孔结构,而径、弦切面则为沟壑状结构。薄木沉积纳米碳材料前后表面化学元素无变化,依然为C(284 e V)、O(532 e V)峰,但C/O比例从1.84增加到5.51(RGO)和3.65(CMWCNT)。随着纳米碳材料沉积次数增加,薄木/RGO和薄木/CMWCNT复合电极的附着量和导电率均随之增大,而且在同一沉积次数下,前者的附着量和导电率略大于后者;当沉积次数达到19次时,RGO附着量可达0.68 mg·cm-2,相应的导电率为0.63 S·cm-1;CMWCNT附着量略低于RGO,为0.45 mg·cm-2,相应的导电率为0.50 S·cm-1;导电率与附着量具有良好的线性拟合性。2种柔性薄木/纳米碳材料复合电极在不同弯曲程度下电流基本保持平稳,表明弯曲应力对其电导性能影响很小。【结论】2种纳米碳材料在薄木表面逐层沉积形成纳米层,且与薄木有较强的附着力(氢键作用)。经过纳米碳材料沉积后,薄木表面化学元素C/O比例显著提高,附着量和导电率也随纳米碳材料沉积次数增加而增大。2种薄木/纳米碳材料复合电极柔性良好,且具有良好的弯曲电导稳定性,可作为柔性电极材料在柔性储能器件和柔性可穿戴设备等方面发挥潜在的应用价值。     

二次水蒸气活化制备离子液体超级电容器活性炭的研究

为改善工业物理法产普通活性炭的孔隙结构,提高其作为离子液体超级电容器电极材料的性能,采用水蒸气活化法,分别对煤质活性炭(CAC)、椰壳活性炭(CSAC)和竹基活性炭(BAC)进行二次活化,探讨了工艺条件对活性炭孔隙结构的影响,并利用恒电流充放电、循环伏安曲线和交流阻抗等方法对3种活性炭制作的双电层电容器的电化学性能进行了研究。结果表明:二次水蒸气活化能够显著提高活性炭中孔孔容,从而大大提高吸附性能,3种活性炭的碘吸附值、亚蓝吸附值均相比原料有较大提升;二次水蒸气活化对CSAC的孔隙结构和比电容量影响最显著,二次活化椰壳活性炭的BET比表面积可达1 972 m2/g,电流密度0.5 A/g时,超级电容器的比电容量可达106 F/g,是原料(43F/g)的2.5倍。     

木质素分子在储能器件中的应用研究进展

木质素是一种绿色环保、低成本的不规则酚类聚合物,其结构中富含羟基和甲氧基等官能团,并且可以从造纸工业的副产品以及农林废弃物中大量获取,因此在各行各业中具有巨大的应用潜力。在储能领域,大量的研究报道了木质素作为可再生碳源制备用于储能装置的电极材料。近年来,越来越多的研究关注了木质素结构中丰富的官能团结构,并充分利用官能团性质将其应用于储能设备,如：利用羟基的亲水性将木质素应用于液流电池的膜结构中提高膜的质子传导率,利用酚-醌结构的可逆变化增加超级电容器的赝电容,利用与苯环共轭的发色基团对太阳能电池光电化学界面进行调控与敏化,利用木质素结构高电荷密度的含氧官能团改善锂离子电池存储的不稳定性,利用木质素分子中丰富的碳和杂原子官能团制备电极从而提高燃料电池的电化学性能。基于木质素分子的官能团结构和性能特点,概述木质素分子对超级电容器、锂离子电池、燃料电池、太阳能电池、液流电池等主流储能器件电化学性能的提升作用和代表性应用,认为最大化保留木质素分子的官能团并将其应用于电化学器件,可以实现木质素分子的多功能化应用,充分发挥木质素基团的特点以提高储能设备的电化学性能。最后,总结归纳了木质素分子应用于...     

扫描热显微镜技术在生物质微观特性研究中的应用

为了探讨生物质材料微观导热性能,以红橡和稻草为研究对象,使用扫描热显微镜技术(SThM)研究2种生物质材料细胞壁层级的微观传热特性及微观结构特性。研究结果表明,SThM的热传导模式可以对生物质细胞结构进行较好的扫描成像,2种生物质细胞壁在横切面的导热特性近似,即细胞壁的胞间层(CML)导热性能明显低于S2层导热性能,电流值相差1μA左右。     

椰壳活性炭作为电极材料和吸附剂的应用研究

制备了高比表面积的椰壳活性炭,对其结构性质进行了表征并测定了以椰壳活性炭为电极材料的双电层电容器的充放电性质和循环伏安性质.实验结果表明:以椰壳活性炭为电极材料的双电层电容器具有良好的充放电性能,电极比电容达164 F/g.以椰壳活性炭为吸附剂测定了NH3、CO2、CH4、N2、O2和H2在298K的吸附等温线.椰壳活性炭对不同气体的吸附性能存在很大差异,其对NH3的吸附远远大于对CO2、CH4、O2、N2和H2的吸附.以平衡吸附量的比值为参考,椰壳活性炭是适用于NH3/N2、NH3/O2及NH3/空气这些气体混合物中NH3吸附分离的优良吸附剂,可用于NH3/CH4气体混合物中NH3的吸附分离并具有吸附分离CO2/N2、CO2/O2及CO2/空气这些气体混合物中CO2的潜力.     

木质素的高附加值应用研究进展

木质素是由3种苯丙烷单元通过醚键和碳碳键相互连接形成的具有三维网状结构的生物高分子,含有丰富的芳环结构、脂肪族和芳香族羟基以及醌基等活性基团。利用木质素的芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基和甲氧基等官能团,能制备出具有紫外吸收、生物可分解性、抗菌性、抗氧化、电子传递和吸附性等特性的高分子材料。笔者结合木质素和改性木质素的结构特点,阐述其在胶黏剂与聚氨酯等聚合材料、纳米复合材料、超级电容器电极材料、碳纤维、复合薄膜材料、金属离子吸附材料等领域研究现状,并对其在应用过程中存在的问题进行了分析。最后,阐述了木质素在未来木质素材料化制备高附价值产品应用研究的重点和方向,木质素在电磁波吸收材料、发光材料等新领域具有广阔的应用前景。     

生物质基炭气凝胶炭基前驱体的研究进展

综述了以糖类、含酚类生物小分子及其他生物质为炭基前驱体制备生物质基炭气凝胶的研究进展,重点介绍了纤维素基、壳聚糖基、木质素基和单宁基炭气凝胶的制备工艺、产品性能及其在催化剂载体、超级电容器、吸附剂以及隔热阻燃材料等领域的应用情况,并对未来生物质基炭气凝胶工业化发展的研究重点和方向进行了展望。     

利用低温竹炭制备竹活性炭初步研究

选用低温竹炭为原料、氢氧化钾为活化剂,制备不同炭碱比和不同活化时间的竹活性炭。运用傅立叶红外光谱议(FTIR)、比表面积测定仪(BET)等仪器对竹活性炭表面官能团、比表面积和孔径结构及比电容进行了测试和分析。结果表明,炭碱比1:4、活化温度700℃、活化时间3h条件下制备的竹活性炭,比表面积为2897.7m2/g,总孔容为1.340cm3/g,平均孔径为2.59nm,亚甲基蓝吸附值为27.7ml/0.1g,碘吸附值为1920mg/g,作为超级电容器(EDLC)的电极,其比电容为114.4F/g。     

高比表面积竹炭基活性炭的孔结构对电容性能的影响

以毛竹为炭前驱体,KOH作活化剂,制备具有高比表面积的活性炭(HSAAC)材料,考察了KOH与竹炭的质量比(碱炭比)对活性炭孔结构、吸附性能和电容性能的影响。结果表明:随着碱炭比值的增加,活性炭的比表面积、中孔容积和总孔容增大,微孔孔容先增大后减小;碘吸附值、亚甲基蓝吸附值均呈现先增大后减小的趋势,碱炭比值为4时达到最大,分别为2 168和569 mg/g。当碱炭比值为4时,可制得比表面积为2 610 m2/g、总孔容为1.24 cm3/g(其中微孔孔容0.81 cm3/g,中孔孔容0.382 cm3/g)的活性炭材料。以其为电极材料组装的电容器在30%H2SO4电解液中的比电容为206 F/g。