槽电压对CaCl2基熔盐电化学转化CO2制备碳材料的影响

以氯化钙基熔盐为电解质，将CO₂电化学转化为碳材料，考察了槽电压、熔盐组成对碳材料制备的影响。借助X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、激光显微拉曼光谱(Raman)等分析手段对碳材料的物相、形貌结构、元素分布、石墨化程度等特性进行表征。结果表明：在800℃CaCl₂-5%(质量分数)CaO熔盐中，槽电压为1.9 V的电解产物形貌为薄片状，碳质量分数为98.24%，随着槽电压升高，产物倾向于形成棒状结构且棒状产物长度增加；采用熔点更低的CaCl₂-NaCl-KCl-5%(质量分数)CaO三元熔盐进行电解，降低了制备碳材料的能耗，减轻了阳极的腐蚀，所得产物主要形貌为纳米管状、颗粒状和球状。槽电压对产物形貌的影响显著；高槽电压使得反应过程电流更大，电化学反应动力学加快，所得碳材料的石墨化程度更低。     

碳化物衍生碳及其在吸附领域中的应用研究进展

碳化物衍生碳（CDC）是近年来开发的一种具有纳米结构的新型多孔碳材料。该材料是将碳化物前体通过物理（如热分解等）或化学（如卤化等）过程,由表及里逐层刻蚀掉非碳原子得到的,可以实现原子水平上的调控。本文介绍了CDC的制备工艺、性质（孔和形貌）及其在吸附领域中的应用。结果表明,可以通过控制刻蚀温度、碳化物前体、后处理等合成条件实现CDC比表面积大范围可调、孔径及孔径分布等微观结构精确可控,得到从无定形碳到高度有序的石墨、碳纳米管或石墨烯等多种结构。最后指出了解制备过程-结构-性质之间的关系有利于精确调控CDC以满足特定应用的要求。     

苯并噁嗪基N掺杂介孔碳材料电化学性能

为了制备高比电容、高稳定性的超级电容器电极材料,以己二胺、腰果酚、多聚甲醛为原料合成了苯并噁嗪前驱体(C-BOZ),利用介孔硅基分子筛(SBA-15)为模板剂,制备了氮掺杂有序介孔碳材料(NCC)。分别考察了C-BOZ与SBA-15质量比为1:0.6、1:0.8、1:1时对电化学性能的影响,并通过N_2等温吸脱附、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)对材料的形貌结构及元素组成进行表征分析。结果表明:当C-BOZ与SBA-15质量比为1:0.8时,比表面积高达1 432 m~2×g~(-1),所制备碳材料成功复刻出SBA-15的孔道形貌结构,电流密度为0.5 A×g~(-1)时比电容高达464 F×g~(-1),经过6 000次循环充放电仍然保持初始比容量的97.7%,具有良好的循环稳定性。     

氨基修饰片状氮化碳的制备及光催化性能

石墨相氮化碳是一种低成本易获得的可见光响应光催化剂,但由于比表面积小、光生载流子易复合等缺点限制了其应用。为克服传统氮化碳的缺陷,本实验以尿素和三聚氰胺为原料,通过水热预处理改性前体,再用高温煅烧法成功制备出氨基修饰片状氮化碳光催化材料。并通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱仪（XPS）等手段对样品的晶格结构和形貌特征等进行表征。结果表明,成功引入氨基基团的片状氮化碳,比表面积增加且光生载流子复合率显著降低。以罗丹明B和壬基酚溶液的光降解考察材料光催化性能,发现氨基修饰片状氮化碳对其去除率分别为80.69%和50.7%,分别是传统块状氮化碳的2.45倍和2.19倍,是未修饰片状氮化碳的1.26倍和1.21倍。且氨基修饰片状氮化碳材料重复使用5次后仍具有较高光催化活性,光催化性能显著提高。     

高比表面积介孔碳材料的混合模板法制备

以纳米氧化锌和氧化镁为混合模板剂,以氢氧化钾为活化剂,中温煤沥青为碳源,经热处理、酸洗、干燥制备出介孔碳材料。通过X射线衍射分析介孔碳材料制备过程中组分的变化情况,通过扫描电子显微镜观察介孔碳材料的表面形貌,通过氮气吸脱附等温线对所得的介孔碳材料进行表征。结果表明,随着温度的升高,由于体系内反应越来越剧烈,体系内呈现碎片状,因而所得的介孔碳材料比表面积逐渐增大;随着模板剂含量的增加,酸洗后的介孔碳材料由于孔的联结而使所得介孔碳材料的比表面积逐渐减小,平均孔径逐渐增大。所得介孔碳材料比表面积最大为2 509.76 m²/g。     

碳基全固态离子选择性电极材料研究进展

离子选择性电极作为一种常见的电位型化学传感器,具有结构简单、制作成本低、易微型化、可穿戴化等特点,被广泛应用到工业分析、环境监测、生物医疗等领域。固态转导层作为全固态离子选择性电极的组成部件之一,对电极的性能起着至关重要影响。碳基材料具有良好的离子-电子信号转换效率和化学稳定性,被认为是理想的固态转导层材料。本文阐述了碳基材料在全固态离子选择性电极中的响应机理,综述了石墨烯、碳纳米管、多孔碳材料及其他碳基材料作为固态转导层材料的研究进展,分析对比了上述材料的导电性、电容性、比表面积、疏水性等性能,并展望了其未来的发展趋势。     

不同管径碳纳米管的制备及其电化学性能研究

利用化学气相沉积法并通过控制反应温度制备了3种不同管径的碳纳米管。通过X射线粉末衍射、场发射扫描电子显微镜和场发射透射电子显微镜对样品的微观形貌和结构进行表征。利用循环伏安和恒电流充放电研究了碳纳米管电极材料的电化学性能。结果表明,反应温度越高,碳纳米管的管径越大,比电容越低。管径最小的碳纳米管在0. 5 A/g电流密度下的比电容最高,达到了42 F/g。     

木质素基碳纳米管/炭复合材料的制备及电化学性能研究

通过移动化学气相沉积法制备了木质素基碳纳米管/炭复合材料(L-CNT/C),并对其进行活化处理，获得高比表面积和发达的多孔结构的L-CNT/C电极。通过FESEM、TEM、Raman、FT-IR、TG等手段对复合材料的形貌、结构进行表征与分析，并考察了其作为电极材料的电化学性能。结果表明，温度升高利于碳管数量的增加，但过高的反应温度会导致复合材料石墨化程度降低。在三电极体系中，0.2 A/g电流密度下，L-CNT/C电极的质量比电容可达234.04 F/g,而木质素基炭材料的比电容仅为61.22 F/g。同时，L-CNT/C电极经过3 000次恒电流充放电测试后仍可保持初始电容的95.2%,循环稳定性优异。     

法国梧桐枯叶基活性炭的制备及其在超级电容器中的应用

以生物质法国梧桐枯叶为原料,将炭化的枯叶通过KOH化学活化处理,制备法国梧桐枯叶基活性炭（PLAC）。采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线能量色散谱（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、氮气吸脱附对法国梧桐基枯叶活性炭的形貌、成分、比表面积、孔径分布等进行表征;运用三电极电化学体系,通过循环伏安,恒流充放电,循环稳定性测试,电化学阻抗谱分析法国梧桐枯叶基活性炭的超级电容器电极性能。结果显示,在800℃下碳化,通过KOH活化处理的法国梧桐基活性炭制备的电极,在1 A·g^-1电流密度下,比电容达到266 F·g^-1。电极在5 A·g^-1的电流密度下循环2000次后,比容量仍保留 97.0%,展示出良好的电极性能。     

改性酚醛树脂基多孔碳材料电极材料研究进展

酚醛树脂多孔碳材料具有良好的热稳定性,而且来源丰富、价格低廉,主要作为双电层电容的电极材料来使用,本论文主要讨论和介绍了提高酚醛树脂多孔碳材料比电容和电化学性能的几种方法,比如通过改性调节孔的形貌及结构、大小,或者利用掺杂的方法加入部分赝电容,以及增强多孔碳材料的石墨化程度来增大比表面积和导电性能。总结了各种方法的特点以及今后酚醛树脂多孔碳材料作为电极材料的发展趋势和要求。     

煤-生物质基活性炭成孔机制及其吸附乙酸乙酯的性能

以CO₂为活化气氛,通过一步快速热解活化法从黑山煤粉与生物质混合物中制取活性炭。讨论了不同质量比率、活化温度和CO₂浓度对活性炭比表面积的影响。通过N₂吸附（BET）、扫描电镜（SEM）、拉曼光谱（Raman）和红外光谱（FTIR）对活性炭的性能进行了表征。确定了制备活性炭的最佳条件为活化温度900℃、质量比1、CO₂体积分数30%、活化时间120min时,活性炭的比表面积和孔容最大,分别为901m²/g和0.39cm³/g。最后,用乙酸乙酯吸附量验证了其吸附性能,最大累积吸附量为766.51mg/g。     

二氧化碳电化学还原反应器的研究进展

电化学还原二氧化碳（CO₂）可实现CO₂的资源化转化，是实现自然界“碳循环”、缓解因CO₂过度排放所引起诸多环境问题的关键技术。本文综述了CO₂电还原反应器的研究发展现状，并依据电解质的不同对比分析了各反应器的结构、传质特征及与之匹配阴极的CO₂转化活性与选择性。研究指出膜电极构型反应器是当前CO₂电还原反应器发展的主要方向，其电解质材料的优选不仅决定于其离子选择性与电导率，还需考虑电催化材料的性质与膜电极效率。最后，提出膜电极构型反应器内的过程强化技术与自支撑结构的阴极设计将成为CO₂还原研究发展的新方向。     

Pyrolyzing soft template-containing poly(ionic liquid) into hierarchical N-doped porous carbon for electroreduction of carbon dioxide

Heteroatom-doped carbon materials have demonstrated great potential in the electrochemical reduction reaction of CO₂ (CO₂RR) due to their versatile structure and function. However, rational structure control remains one challenge. In this work, we reported a unique carbon precursor of soft template-containing porous poly(ionic liquid) (PIL) that was directly synthesized via free-radical self-polymerization of ionic liquid monomer in a soft template route. Variation of the carbonization temperature in a direct pyrolysis process without any additive yielded a series of carbon materials with facile adjustable textural properties and N species. Significantly, the integration of soft-template in the PIL precursor led to the formation of hierarchical porous carbon material with a higher surface area and larger pore size than that from the template-free precursor. In CO₂RR to CO, the champion catalyst gave a Faraday efficiency of 83.0% and a current density of 1.79 mA·cm^-2 at -0.9 V vs. reversible hydrogen electrode (vs. RHE). The abundant graphite N species and hierarchical pore structure, especially the unique hierarchical small-/ultra-micropores were revealed to enable better CO₂RR performance.     

氮掺杂微孔活性炭制备及其超级电容性能

以土豆为碳源,乙二胺为氮源,氢氧化钾为活化剂制备具有微孔结构高比表面积氮掺杂活性炭。通过N_2物理吸附、扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱和元素分析研究活性炭比表面积、孔结构、形貌及元素组成,并测试其电化学性能。结果表明,当碱碳质量比为5∶1时(NC600-800-5),活性炭材料比表面积最高2 440 m~2·g~(-1)、孔容最大1.07 cm~3·g~(-1)、孔径最大0.82 nm和1.80 nm。电流密度1 A·g~(-1)时比电容可达370 F·g~(-1),经3 000次循环充放电后,比电容保持率为95.2%。     

碳毡负载Sn气体扩散电极CO2电化学还原性能

针对CO₂电化学还原中气体扩散电极可强化CO₂的传质,基于碳毡制备了负载锡-石墨烯催化层的新型气体扩散电极,研究了CO₂反应条件、电极厚度、催化剂载量及反应电位对CO₂电化学还原性能的影响。实验结果表明：与溶解态CO₂反应条件相比,采用气相CO₂反应条件电化学还原性能更好;一定范围内增加电极厚度和催化剂载量可以增加气-液-固三相反应界面,提升CO₂电化学还原性能;随着电解电位负移,甲酸产量增加,电流效率先增大后减小;实验中使用厚度为5 mm、载量为5 mg·cm^-2的电极,在-1.8 V（vs Ag/AgCl）条件下进行电化学还原时,平均电流密度为（12.79±1.27） mA·cm^-2,甲酸电流效率达到最佳为41.55%±2.50%。     

复合活化剂制备稻壳活性炭影响因素及特性

以稻壳为原料,ZnCl₂-CuCl₂为复合活化剂,制备稻壳活性炭,并以BET比表面积和吸附性能为指标,通过正交试验对制备的工艺条件进行优化,并对制得的稻壳活性炭采用氮气吸附等温线、X射线衍射仪(XRD)表征。结果表明,稻壳可以被制得大比表面积活性炭。影响活性炭比表面积和吸附性能最重要的因素是氯化锌浓度和活化温度,最佳制备工艺条件是氯化锌浓度5 mol/L,氯化铜浓度 0.4 mol/L,活化温度500 ℃,活化时间2 h。该条件下制得的稻壳活性炭比表面积为1 924 m²/g,碘吸附值为1 041 mg/g,亚甲基蓝吸附值为 188 mg/g。     

PEBA/氮硫共掺杂多孔碳球混合基质膜的制备及CO2分离性能研究

为了获得高性能的混合基质膜,有效捕集烟道气中的CO₂,设计了对CO₂有优异的扩散选择性和吸附选择性的氮硫共掺杂多孔碳球添加剂,实现了烟道气中CO₂/N₂的高效分离。选用表面含氧基团丰富的葡萄糖作为碳源,硫脲作为氮源和硫源,通过水热法制备了氮硫共掺杂碳球（NSC）,并用KOH活化,获得了具有多孔结构的氮硫共掺杂碳球（NSPC）,再加入聚醚嵌段酰胺（PEBA）中制备出PEBA/NSPC混合基质膜。采用FTIR、XRD和BET表征了材料的化学结构和孔结构,借助力学性能表征了膜的两相界面相容性。系统研究了PEBA/NSPC混合基质膜中葡萄糖与硫脲的质量比、NSC和KOH的质量比、NSPC的添加量、操作压力、操作温度,以及模拟烟道气条件对膜CO₂渗透性、CO₂/N₂选择性的影响。结果表明：NSPC材料成功实现了氮、硫元素的共掺杂,而且具有较好的孔结构。在操作温度25℃、操作压力0.2 MPa的条件下,混合基质膜中NSPC添加量为3%（质量）时气体分离性能最优,CO₂渗透系数和CO₂/N₂选择性分别为589 Barrer和64,相比纯PEBA膜分别提高了244%和139%。这是因为多孔碳球的微孔结构显著提高了CO₂的扩散选择性,同时氮、硫元素的掺杂因为酸碱相互作用和良好亲和性有效提高了CO₂的吸附选择性。稳定性实验表明,PEBA/NSPC混合基质膜在360 h连续运行过程中气体分离性能稳定,具有较好的工业应用前景。     

Influence of anode current density on carbon parasitic reactions during electrolysis

In the electro-deoxidation process, carbon parasitic reaction (CO₃^2- + 4e^-=C + 3O^2-) usually occurs when using carbon materials as the anode, which leads to increase of the carbon content in the final metal and decrease of the current efficiency of the process. The aim of this work is to reduce the negative effect of carbon parasitic reaction on the electrolysis process by adjusting anode current density. The results indicate that lower graphite anode area can achieve higher current density, which is helpful to increase the nucleation site of CO₂ bubbles. Most of CO₂ would be released from the anode instead of dissolution in the molten CaCl₂ and reacting with O^2- to form CO₃^2-, thus decreasing the carbon parasitic reaction of the process. Furthermore, the results of the compared experiments show that when the anode area decreases from 172.78 to 4.99 cm², CO₂ concentration in the released gases increases significantly, the carbon mass content in the final metal product decreased from 1.09% to 0.13%, and the current efficiency increased from 6.65% to 36.50%. This study determined a suitable anode current density range for reducing carbon parasitic reaction and provides a valuable reference for the selection of the anode in the electrolysis process.     

珊瑚状氮掺杂多孔碳的制备及其超电容性能

在三聚氰胺为氮源、碳酸钾为活化剂的条件下,由菜籽饼制得了珊瑚状氮掺杂分级多孔碳(CNPCs)。采用场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、氮吸脱附等表征手段,研究了三聚氰胺的用量对CNPCs微观形貌、组成及孔隙结构的影响。结果表明,当三聚氰胺的用量为2 g时,所得CNPC₂的比表面积达2050 m²·g^-1。以6 mol·L^-1 KOH为电解液,在0.05 A·g^-1的电流密度下,CNPCs的比容可达274 F·g^-1;当电流密度为50 A·g^-1时,CNPCs的比容为169 F·g^-1,显示了优异的倍率性能。经过10000次充放电测试后,比容保持率达96%,展现了良好的循环稳定性。此工作为从生物质大规模生产高性能储能用多孔碳材料提供了一种简单、绿色的方法。     

一种新的颗粒炭材料的制备及其高效分离甲烷氮气性能

主要围绕从低品位煤层气中回收分离低浓度的CH₄这一重要需求,探索以生物质为碳源研制具有优良CH₄/N₂分离性能的颗粒炭吸附剂。选择大米碎粒作为碳源,通过碳化制备颗粒状炭前体,然后应用CO₂进行活化,制备出大米基颗粒炭材料（GRCM）,研究其吸附分离CH₄/N₂的性能。所制得的颗粒炭材料具有较窄微孔分布,其中样品GRCM-900的BET比表面积为938.529 m²/g。FT-IR分析结果显示大米基颗粒炭表面含有羟基及羰基等含氧官能团。其CH₄吸附容量和CH₄/N₂吸附选择性分别高达1.32 mmol / g和5.68（在298 K和100 kPa条件下）,优于大多数已报道的粉末状炭材料和MOF材料。分子模拟揭示了甲烷和氮气在GRCM炭材料狭缝孔道中的吸附构型和差异。固定床实验证实,应用GRCM炭材料可以在常温条件下有效地分离CH₄/N₂混合物,所制得的颗粒GRCM在从低品位煤层气中回收CH₄方面有很好的应用前景。