聚酰亚胺基氮掺杂碳电极材料的制备及电化学性能研究

由于氮掺杂多孔碳材料不仅保留原有材料的高比表面积、高孔隙率和发达的孔道结构等优势,还兼具杂原子良好的润湿性能和导电性,被广泛应用于超级电容器电极材料的研究。以均苯四甲酸二酐(PMDA)和4,4′-二氨基二苯醚(ODA)为原料,通过水热法,在高温高压的条件下,分子链进行“自上而下”的折叠,形成三维纳米微球结构。借助对纳米球的高温热解,使氮元素保留在碳材料中,得到含有大量微孔和介孔结构的掺杂氮碳微球。当碳化温度达到800℃时,PI碳球具有709.39m²/g的高比表面积和良好的氮掺杂率,很大程度上提高了此类电极材料的比电容和润湿性能。电化学测试表明,当扫描速率为0.5A/g时,电极材料能够达到253.6F/g的比电容,且在电流密度达到10A/g时,电极材料的电容保持率为59.6%。同时,在循环10000次后,比电容保持率出现涨幅达到105%,具有优异的循环稳定性。综上,通过自组装和氮掺杂的有效结合,制备的3D氮掺杂多孔碳微球具有理想的电化学性能,为制备超级电容器电极材料提供了一种可供参考的工艺。     

蒙脱土基氮掺杂多孔碳@MnO_2@PANI三元复合材料的合成及其电化学电容性能研究

采用蒙脱土为基的新型氮掺杂多孔碳(NMC),通过超声分散法制备NMC@MnO_2复合材料,再与苯胺(ANI)原位聚合得到NMC@MnO_2@PANI复合材料。采用红外光谱、拉曼光谱、X射线衍射和扫描电镜表征复合材料的组成和形貌。复合材料在1mol/L Na_2SO_4电解液中,电流密度0.25A/g时,质量比电容为228.5F/g;1A/g电流密度下,800次循环充放电后,比电容保持率为86%;在1mol/L H_2SO_4酸性电解液中,电流密度0.5A/g时,质量比电容为588.0F/g,在1A/g电流密度下,经过800次循环充放电后,比电容保持率76%。结果表明:NMC@MnO_2@PANI复合材料在中性和酸性电解液中能够表现出较好的电化学电容性能。     

磷掺杂中空碳球的制备及其电容性能EI北大核心CSCD

以酚醛预聚体和苯乙烯为原料通过水热法一步合成中空聚合物球(HPS),再以三氯化磷为反应剂通过傅-克反应对HPS处理得到含磷交联聚合物,经高温炭化和KOH活化制备磷掺杂中空碳球(AP-HCS)。采用FT-IR,TG,SEM,TEM,Raman,BET,XPS等手段对含磷聚合物和碳材料的组成、结构与形貌进行表征,测试碳材料在1 mol/L H2SO4介质中的电容性能。结果表明:AP-HCS的比表面积可达2177 m2/g,在1 A/g电流密度下,比电容为288 F/g,5 A/g电流密度下经循环充放电5000次后比电容值仍能保持88.9%,具备良好的电容性能。     

玉米淀粉基碳微球的制备及电化学性能的研究

以玉米淀粉为原料,经过乙酸镍处理后在不同温度下碳化,再用KOH对碳化材料进行活化,得到玉米淀粉基碳微球,该材料可做成超级电容器。采用扫描电子显微镜(SEM)对实验样品形貌进行表征,并且进行了循环伏安、恒流充放电等电化学性能测试。SEM结果显示,原料玉米淀粉呈片状,而实验制得的玉米淀粉基碳微球具有良好的球形外貌,表面光滑平整。电化学性能结果显示,经900℃碳化并活化后的玉米淀粉基碳微球表现的电容特性最佳。在6mol/L KOH电解液中,200mV/s的扫描速度下,其循环伏安曲线仍能保持高度类矩形形状;在电流密度为1A/g恒流充放电下,其比容量高达116F/g,且经过500次充放电循环后,依然保持初始值的98%的比电容。结果表明,乙酸镍能促进淀粉球很好地形成球状的碳微球,且活化后的玉米淀粉基碳微球表面粗糙,产生了多孔结构,比表面积增大,电化学性能大大提高。     

生物质碳微球/还原氧化石墨烯水凝胶的制备及其电化学性能研究

通过水热法从生物质废料玉米秸秆中制备表面光滑的碳微球(CMs),并首次将未经碳化或活化的生物质碳微球作为间隔物插入石墨烯片层中合成CMs/rGO复合水凝胶。碳微球在抑制石墨烯片层团聚的同时，可以提高材料的亲水性和表面相容性。基于此复合材料组装的无粘结剂对称型超级电容器表现出良好的双电层电容(0.3A/g时264.1F/g),出色的倍率性能(10A/g电流密度下电容保持率为81.5%),以及优秀的循环稳定性(10A/g下循环10000次，电容保持率为95.6%)。     

原位水热合成CMS/MnO_2纳米复合材料及其电化学性能研究

水热条件下在炭微球(CMS)载体表面原位生长纳米结构的二氧化锰(MnO2),制备碳微球/二氧化锰(CMS/MnO2)纳米复合电极材料,并应用于超级电容器。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和热重分析(TGA)对复合材料结构进行表征;采用循环伏安法、恒流充放电和交流阻抗对其电化学性能进行研究。结果表明,CMS/MnO2复合物中MnO2纳米片均匀地负载在碳微球的表面,形成绣球状结构,MnO2纳米片具有典型的K-Birnessite型晶体结构,其中MnO2的含量约为62%(质量分数),CMS/MnO2比容量达到266F/g;随着反应时间的延长,碳微球表面负载的MnO2纳米片逐渐生长并完善,CMS/MnO2的比容量也呈现先增长后保持不变的趋势。     

酚醛树脂基碳微球的制备及其电化学性能研究

以间苯二酚和甲醛为前驱体,1,6-己二胺作为交联剂,通过水热法制备出一种球形纳米酚醛树脂基碳微球材料。采用N2吸附、XRD及SEM对材料的结构和形貌表征表明,交联剂的加入可得到球形形貌的碳纳米微球,同时,改变交联剂的量可以控制球形颗粒的大小及结构,但FT-IR表明对表面官能团未有影响。利用循环伏安法、恒流充放电及交流阻抗曲线对碳球材料电化学性能进行评价,在-0.95~0 V电压范围内,碳球材料具有典型的双电层电容和充放电可逆性。当1,6-己二胺与间苯二酚摩尔比为0.4时,在1 A/g的电流密度下测得的比电容为147.37 F/g。对电极进行5000次循环充放电测试,其比容保持率为91.27%。     

Pickering乳液模板法制备石墨烯/聚苯胺空心微球及其在超级电容器中的应用

以离子液体（IL-NH2）对氧化石墨烯进行修饰，得到离子液体修饰的还原氧化石墨烯（rGO-IL），将其作为颗粒乳化剂稳定含有苯胺单体的油相，制备稳定均匀的Pickering乳液，然后通过引发苯胺单体聚合得到石墨烯/聚苯胺空心微球。离子液体的引入不仅可以调节Pickering乳化剂的润湿性，还能避免降低材料的电导率。通过控制IL-NH2对石墨烯的修饰程度调节了rGO-IL的润湿性，并探究了rGO-IL的润湿性、浓度以及乳化时的油水比对Pickering乳液性质的影响。利用超景深三维显微镜观察了rGO-IL稳定的Pickering乳液状态；利用傅里叶变换红外光谱仪、拉曼光谱仪和扫描电子显微镜对所得石墨烯/聚苯胺空心微球的化学结构和形貌进行了观察；利用循环伏安法与恒流充放电法对空心微球的电容性能进行了探究。结果显示，石墨烯/聚苯胺空心微球比电容可以达到451.8 F/g，是二维石墨烯/聚苯胺材料的近2倍(227 F/g)；另外空心微球表现出良好的倍率性能，当电流密度从0.5 A/g增加至10 A/g时，其电容保持率高达92.4%，远高于二维材料的46.5%。     

介孔碳微球的氢醌改性及电容性能研究

由于纯碳材料单一的双电层储能机理, 其比电容较低, 而赝电容材料可利用法拉第反应进行能量存储, 可以获得较高的比电容。作者利用软模板法制备出具有三维有序结构的介孔碳微球, 然后采用水热法制备氢醌改性的介孔碳微球。循环伏安和恒流充放电测试表明, 氢醌改性使得介孔碳微球不仅具有双电层电容, 而且具有赝电容。负载10wt%氢醌的介孔碳微球具有最大的比电容值, 当电流密度为0.5 A/g时, 其比电容值高达285 F/g; 当电流密度增大到10 A/g时, 其比电容值仍高达212 F/g, 表现出优异的倍率特性。这主要归因于氢醌以π-π堆叠方式负载在碳质介孔表面, 不仅提供了额外的赝电容, 而且提高了碳材料在水系电解液中的倍率特性。     

基于氧化石墨烯与豆渣的复合碳材料制备及性能表征

以氧化石墨烯(graphene oxide,GO)和豆渣为原料,通过溶剂热反应获得了石墨烯基三维网状复合碳材料,并进一步通过高温焙烧获得导电性良好的复合碳材料。通过场发射电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、元素分析仪、电化学分析仪对复合碳材料的形貌、物相、分子结构、元素组成和电化学性能进行了表征。结果表明,在GO中引入豆渣不仅可以在溶剂热和碳化过程中阻止石墨烯片层的重叠,还可以引入氮元素,该复合碳材料与纯GO或纯豆渣制备得到的碳材料相比表现出了更加优异的电化学性能。其中当GO与豆渣质量比为1∶2时,所得到的复合碳材料在1A/g的电流密度下比电容为201.9F/g,远高于纯石墨烯或纯豆渣所制备得到的碳材料比电容(分别为93和78F/g)。     

氮/硫共掺杂对纤水镁石模板碳纳米管电化学性能的影响

以天然矿物纤水镁石为模板、蔗糖为碳源制备多孔碳纳米管, 并以硫脲为氮、硫源, 采用水热法制备氮/硫共掺杂的碳纳米管。结果表明, 掺杂碳纳米管继承了纤水镁石模板的柱状结构, 呈现中空管状, 增大了模板炭的比表面积和孔容。在6 mol·L^-1 KOH电解液中, 电流密度为1 A·g^-1时, 未掺杂碳纳米管的比电容为62.2 F·g^-1, 氮掺杂之后碳纳米管的比电容为97.0 F·g^-1, 氮/硫共掺杂的碳纳米管比电容为172.0 F·g^-1, 氮/硫共掺杂后碳纳米管的电化学性能比未掺杂的提高近3倍; 循环1000次电容保持率达89%, 说明掺/硫共掺杂碳纳米管具有良好的电化学性能。此外, 组装的对称型超级电容器同样展示了良好的电容性能。     

交联网状聚苯胺/多壁碳纳米管复合物的合成及电容性能

以樟脑磺酸为掺杂酸,过硫酸铵为引发剂,丁二酸二异辛酯磺酸钠为表面活性剂,通过简单的化学氧化法成功地制备出具有交联网状结构的聚苯胺(PANI),并通过原位聚合法获得了聚苯胺/多壁碳纳米管(PANI/MWCNT)复合物。形貌分析结果表明,交联结构的PANI成功地包覆在MWCNT表面。电容性能测试结果显示,当电流密度为0.5 A/g时,PANI/MWCNT复合物的比电容高达639.7 F/g,较纯PANI的比电容(498.7 F/g)有显著提高。在5.0 A/g的电流密度下,经1000次充放电循环后,PANI/MWCNT复合物的电容仍保持为初始值的77.2%,而纯PANI的电容保持率仅为65.1%,表明MWCNT的引入能够较好地改善PANI的电化学稳定性。     

双电层电容器用中孔炭微球/活性炭复合电极的制备

采用水热法合成比表面积1850m2/g、粒径lμm的中孔炭微球(MCM);而后将所制MCM加入比表面积为3200m2/g的超级活性炭(HSAC)中制成用于双电层电容器的复合电极材料,并研究了该复合电极材料的电化学性能.结果表明:在比表面积为3200m2/g的HSAC中添加质量分数20%的MCM后,其颗粒接触内阻、离子扩散内阻明显降低;在6mol/L的KOH电解液体系中,在12A/g的电流密度下,其比电容仍能稳定在230F/g.而在同样的条件下,纯HSAC和纯MCM的比电容仅分别为190F/g和148F/g.复合电极在大电流下电化学性能的提高应归因于MCM合适的粒径、中孔结构及其较高的比表面积.     

NiCo2S4/CNTs复合材料的制备及电化学性能

采用一步水热法合成NiCo2S4和NiCo2S4/CNTs复合材料,通过进行XPS、XRD以及SEM对NiCo2S4、NiCo2S4/CNTs复合材料进行物理表征,采用三电极测试体系在电化学工作站上进行电化学测试。测试结果表明：通过掺杂CNTs改变了NiCo2S4的形貌结构,NiCo2S4在1 A/g电流密度下,比电容可以达到830 F/g,在10 A/g的大电流密度下,比电容保持率仅为78.3%;而NiCo2S4/CNTs复合材料在10 A/g下的比电容保持率可达到78.6%,并且在3 A/g电流密度下循环1000次,比电容保持率高达98.2%。     

MoS2/NiS Yolk–Shell Microsphere‐Based Electrodes for Overall Water Splitting and Asymmetric Supercapacitor

Rational designing of the composition and structure of electrode material is of great significance for achieving highly efficient energy storage and conversion in electrochemical energy devices. Herein, MoS₂/NiS yolk–shell microspheres are successfully synthesized via a facile ionic liquid‐assisted one‐step hydrothermal method. With the favorable interface effect and hollow structure, the electrodes assembled with MoS₂/NiS hybrid microspheres present remarkably enhanced electrochemical performance for both overall water splitting and asymmetric supercapacitors. In particular, to deliver a current density of 10 mA cm^?2, the MoS₂/NiS‐based electrolysis cell for overall water splitting only needs an output voltage of 1.64 V in the alkaline medium, lower than that of Pt/C–IrO₂‐based electrolysis cells (1.70 V). As an electrode for supercapacitors, the MoS₂/NiS hybrid microspheres exhibit a specific capacitance of 1493 F g^?1 at current density of 0.2 A g^?1, and remain 1165 F g^?1 even at a large current density of 2 A g^?1, implying outstanding charge storage capacity and excellent rate performance. The MoS₂/NiS‐ and active carbon‐based asymmetric supercapacitor manifests a maximum energy density of 31 Wh kg^?1 at a power density of 155.7 W kg^?1, and remarkable cycling stability with a capacitance retention of approximately 100% after 10 000 cycles.     

中间相沥青基活性泡沫炭的制备及其电化学性能研究

以中间相沥青为前驱体,经自挥发发泡法、KOH活化法制备的中间相沥青基活性泡沫炭作为超级电容器电极材料。采用扫描电镜、X射线衍射和低温(77K)N2吸附法对中间相沥青基活性泡沫炭的表面形貌和微观结构进行表征。中间相沥青基活性泡沫炭的比表面积为2700m2/g,总孔孔容为1.487cm3/g。通过恒流充放电、循环伏安和交流阻抗测试,考察了中间相沥青基活性泡沫炭作为超级电容器电极材料的电化学性能。在电流密度为0.02A/g时,中间相沥青基活性泡沫炭的比容量为240.48F/g,能量密度为33.4Wh/kg;在电流密度为5A/g时,比容量为166.68F/g,具有良好的电化学特性。     

聚酰亚胺基活性炭的制备及其电化学性能的研究

通过炭化和进一步KOH化学活化的方法制备了聚酰亚胺基炭材料, 并将其用作双电层电容器电极材料. 采用DFT、XPS方法对其孔结构和表面化学性质进行了研究, 并通过恒流充放电等方法探讨了其电化学特性. 结果表明: 样品CPI的质量比电容是双电层电容和表面氮原子(尤其是N-5)所提供的赝电容共同作用的结果. 经活化后, 样品API比表面积达到1941m²/g, 主要形成0.7～2.0nm之间的微孔, 氮原子的影响可以忽略, 在50mA/g的放电电流密度下质量比电容达300F/g, 且电流密度达到1000mA/g时, 电容保持率仍为86.1%; 交流阻抗测试也表明样品API具有良好的双电层电容特性, 是一种新型的双电层电容器电极材料.     

聚偏二氯乙烯基炭用作高功率EDLC电极材料

在600℃～1100℃对聚偏二氯乙烯(PVDC)树脂仅进行炭化处理,制备了一系列PVDC基活性炭.由TG、XRD和N_2吸附等温线(77 K)分别测定了PVDC基炭经历的热解过程与其晶型、比表面积和孔结构;采用循环伏安、交流阻抗和恒电流充放电考察了它们在质量分数30%的 KOH水溶液中的电容特性.结果表明:PVDC基炭属于无定形碳,其大的比表面积(874.5m~2/g～969.2m~2/g)和丰富的微孔在固相炭化过程中形成;PVDC基炭具有适于双电层形成的优异孔径分布、高的质量比电容和面积比电容;900℃炭化的PVDC基炭具有最高的比电容值和良好的功率特性,50mA/g电流密度时的放电比电容达256.9F/g,5000mA/g电流密度时的放电比电容保持率达76.5%;提高炭化温度可提高PVDC基炭的电导率,降低电解质离子在孔内的扩散阻抗,改善双电层电容器的功率性能.     

Nitrogen-oxygen co-doped corrugation-like porous carbon for high performance supercapacitor

Nitrogen-oxygen co-doped corrugation-like porous carbon (NO-PC) has been developed by direct pyrolysis of formaldehyde-melamine polymer containing manganese nitrate. The melamine, formaldehyde and manganese nitrate act as nitrogen, oxygen source and pore-foaming agent, respectively. NO-PC exhibits favorable porous architecture for efficient ion transfer and moderate heteroatom doping for additional pseudocapacitance, which synergistically enhances the electrochemical performance of the NO-PC-based supercapacitor. The electrode delivers specific capacitance of 240 F/g at 0.3 A/g when tested in 6 mol/L KOH electrolyte, good rate capability (capacitance retention of 83.3% at 5 A/g) as well as stable cycling performance (capacitance remains ~96% after 10000 cycles at 3 A/g). The facile synthesis with unique architecture and chemistry modification offers a promising candidate for electrode material of energy storage devices.     

基于煤萃取物的类石墨状多孔炭的制备及其电容性能研究

以褐煤萃取物为炭前驱体, MgO为阻隔剂, KOH为活化剂, 在800℃惰性气氛下制备出类石墨状多孔炭材料。对该多孔炭材料进行了红外(FTIR)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和拉曼(Raman)表征。以活化前和活化后多孔炭为电极材料, 利用循环伏安、恒电流充放电、交流阻抗对其进行了电化学电容性能评价和比较。结果表明: 活化后炭材料呈现多孔的薄膜状, 比表面积高达1396 m²/g, 而活化前炭材料比表面积仅为138.4 m²/g。当电流密度为1 A/g和4 A/g时, 活化后炭材料比电容分别为533 F/g和390 F/g; 而活化前炭材料对应的比电容为366 F/g和198 F/g。在电流密度为5 A/g下循环8000圈后, 活化前后炭材料的电容保持率分别为72.5%和89.6%。可见, 经过KOH活化后的炭材料比电容和电化学稳定性有了显著提高。该研究证明阻隔剂和活化剂的使用, 能够获得高度柔性的高电容性能的类石墨状多孔炭。