富氧多孔炭的合成及其在电化学储能中的作用

多孔炭在电化学储能器件中具有不可或缺的作用。本文主要介绍了富氧多孔炭材料的物理化学特性、表面含氧官能团的种类及表征方法;总结了富氧多孔炭常见的合成方法并分析了各种方法的优缺点;以超级电容器和锂/钠离子电池为例,阐述了近年来富氧多孔炭材料在储能应用方面的研究进展,探讨了含氧官能团在储能过程中的作用机理;指出了富氧多孔炭应用于电极材料时高比容量与高导电性能相互制约的问题,提出理性设计多孔炭结构中含氧官能团的类型及数量,可以在保持多孔炭电化学稳定性的同时,为多孔炭提供丰富的氧化还原活性位,提高其与电解质的亲和性,从而提升储能器件的能量密度;并展望了含氧官能团原位表征技术的开发与材料先进结构组分的设计等富氧多孔炭储能电极的未来发展方向。     

元素掺杂生物质炭材料在电化学储能中的研究进展

在“双碳”目标的背景下,新型生物质炭材料的开发及其在电化学储能领域中的应用引起了人们广泛的关注。在各种优化生物质炭材料性能的方法中,元素掺杂能够解决比容量低、稳定性差的问题,为提高生物质炭材料电化学性能提供了一种简单、有效的方法和策略。本文从植物基、动物基和微生物基三方面介绍了元素掺杂生物质炭材料的来源,并根据掺杂元素的种数将元素掺杂生物质炭材料归纳为单元素掺杂和多元素共掺杂。回顾了元素掺杂生物质炭材料在超级电容器、锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等电化学储能器件中的应用,在此基础上分析了其化学组成和微观结构对电化学性能的影响。同时对其今后的发展和商业化前景做出展望,指出掺杂元素的种类和含量的调控、制备方法和工艺的优化、生物质自掺杂属性的激活仍是目前亟待解决的问题和未来的发展方向。     

多孔炭材料的研究与开发

本文对活性炭生产原料的扩展，成孔过程的变化，形态特征的多样，功能特性改进，表面添加物的作用及应用途径的开拓等方面进行了综述。     

石油焦基多孔炭电极材料的制备及调控

以石油焦为原料,氢氧化钾为活化剂,采用化学活化法制得中孔丰富、比表面积高的多孔炭。通过硝酸铁溶液浸渍,再经高温热处理,或在高温过程中通入CO2,对多孔炭进行孔结构深度调控。将所制多孔炭用作电化学电容器电极材料,通过恒流充放电、循环伏安测试其电化学性能,采用氮气吸附法测定多孔炭的比表面积及孔径分布。结果表明:KOH与石油焦质量比为3∶1,活化温度850℃,活化时间90 min时,可以制得比表面积为2 738 m2/g,总孔容为1.51 cm3/g,中孔率为43.2%的多孔炭,在电流密度为100 mA/g时,该电极在6 mol/L KOH电解液中的比电容值高达256.6 F/g。多孔炭经金属盐溶液浸渍并经CO2二次活化后,中孔率由43.2%提高至70.7%,尽管因比表面积的下降造成了电极比电容值的下降,但由于中孔率的提高,电极的充放电速率明显加快。     

水分子在多孔炭材料上的吸附行为研究进展

多孔炭材料具有较大的比表面积和发达的孔隙结构,是吸附有毒有害气体的关键材料,备受环境、化工、军事化学等领域的关注。多孔炭材料对有毒有害气体的吸附性能受气氛中水分子竞争吸附的影响,研究多孔炭材料对水分子的吸附行为是复杂环境下吸附分离有毒有害气体的基础,对改进多孔炭材料的表面官能团组成和孔结构具有重要的指导意义。基于此,本文综述了国内外关于水分子在多孔炭材料上吸附的机理、过程和影响因素,探讨了水分子作为示踪分子用于多孔炭材料结构表征的潜在可能,并对未来吸附理论的研究方向和指导新型吸附材料设计的应用前景进行展望。     

高性能碳基储能材料的设计、合成与应用

电化学储能器件的性能很大程度上决定于其电极材料。碳材料具有来源广泛、化学稳定性好、易于调控、环境友好等优点,被广泛应用于各类能量存储系统,但仍存在能量密度低、倍率性能差等问题。本文从碳材料孔结构调控、杂原子掺杂、与金属氧化物复合三个角度,综述了构建高性能碳基储能材料的设计合成策略,介绍了其在锂/钠离子二次电池、超级电容器等领域的研究进展,对几种方法策略的优缺点进行了总结,并对未来的研究方向进行了展望。本文对高性能碳基储能电极材料的设计开发具有积极意义。     

具有发达中孔的多孔炭材料的研究进展

本文综述了国内外在调控多孔炭材料孔径分布，特别是提高其中孔率方面的研究进展，着重介绍了催化活化、界面活化、混合聚合物炭化、有机凝胶炭化、铸型炭化等孔径调控技术及其孔结构形成机理。为控制多孔炭材料的孔径大小和分布，提出其中孔容积（率）和吸附性能提供了理论和实验依据。     

分级多孔炭的制备及其电化学性能研究

以间苯二酚和甲醛为前驱体,原位合成的Mg(OH)2为模板剂,KOH作为催化剂、沉淀剂、活化剂,一步法合成具有小/中/大孔的分级多孔炭。使用扫描电镜、透射电镜、氮气吸附、X射线衍射对样品的结构进行表征。通过恒流充放电、循环伏安、电化学阻抗谱,测试样品在1mol/L的(C2H5)4NBF4/碳酸丙烯酯(Propylene carbonatePC)电解液中的电化学性能。结果表明,随着KOH对间苯二酚用量的增加,材料的比表面积和孔容先增大后减小,其最大值分别为1300m2/g和0.89cm3/g。该材料具有良好的容量性能和功率性能,在电流密度0.1A/g时,最高质量比电容可以达到116F/g;当电流密度增大到5A/g时,电容保持率为78%。     

磷酸三钾活化合成分级多孔炭及其电化学性能

多孔炭的表面性质、孔径分布及比表面积是影响其电化学性能的主要因素。为了对多孔炭孔结构及电化学性能等进行调控,采用聚乙烯吡咯烷酮为碳源、纤维水镁石为模板、磷酸三钾为活化剂,通过一步炭化–活化法制备了分级多孔炭(HPC),并研究了磷酸三钾添加量对多孔炭孔径分布、比表面积及电化学性能的影响。基于X射线衍射、氮气吸脱附、扫描电镜、X射线光电子能谱、X射线能谱仪、横流充放电、循环伏安及交流阻抗等测试,结果表明：磷酸三钾活化后样品HPC/K₃在0.5 A/g电流密度下比电容可达281.94 F/g,远高于未活化HPC/K₀的200.31 F/g;经过8 000次充放电循环后容量保持率可达84.7%。研究表明磷酸三钾活化可以显著改善多孔炭的电化学性能,此外,以纤维水镁石为模板合成多孔炭,还可以为天然矿物纤维水镁石的高附加值应用提供新思路。     

添加碳素复(混)合相变储热材料的研究及应用进展

相变储热材料因具有储热密度大、相变温度变化小且过程易控制等优点而在许多领域具有重要应用。但传统的相变储热材料存在导热系数低及固-液相变过程中液态泄漏问题,阻碍了其实际应用。碳材料如石墨、碳纤维、碳泡沫和膨胀石墨,他们都具有高导热系数、低密度和良好的化学稳定性。将碳材料添加到相变储热材料中或与相变储热材料进行复合,从而构成碳素复(混)合相变储热材料,储热材料的导热系数及其性能可明显提高。本文综述了碳素复(混)合相变储热材料的研究进展。利用膨胀石墨的多孔特性吸附有机物制备膨胀石墨基复合相变储热材料,其储热密度大、导热系数高、性能稳定、成本低且在固-液相变过程中没有液态的流动性问题,是未来研究和应用最重要的碳素复合相变储热材料。     

一步热解活化法制备纳米木质素基多孔炭材料

以木质素为原料,采用管式炉反应器通过一步热解-半活化法获得木质素基多孔炭材料（LPC）。采用氮吸附（BET）、扫描电镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对多孔炭材料的物化性质进行分析。在900℃的恒定炭化温度下,CO₂体积分数为6%、水蒸气体积分数约为20%时,LPC-C₆S₂₀表面具有良好的纳米结构,并且总孔容和比表面积分别达到0.77cm³/g和1497.51m²/g,活化气氛促进了多孔炭材料颗粒趋于均匀和微孔、中孔的形成。LPC样品含有—OH、C—H、C＝C、C—O、C＝O、CO—C、C—N、C＝N等丰富的表面官能团。随着活化剂浓度的变化,这些官能团保持相对稳定。因此,通过该方法获得的样品具有良好的纳米结构,具有较大的孔容、比表面积和表面官能团。     

层次孔碳材料：结构设计、功能改性及新能源器件应用

发展电化学能源存储与转换技术是我国的长期重大需求。作为电化学能源器件中的关键材料,多孔碳材料已成为当前能源材料与化工领域的研究热点。层次孔碳材料是一类新型的多孔碳材料,同时兼具不同尺寸与功能的微孔、中孔或大孔。研究者通过对层次孔碳材料可控设计,已制得一系列孔结构、孔骨架及表面化学性质和微/纳拓扑形貌各异的新型层次孔碳及其复合材料,极大地提升了其能源存储和转化性能。本综述总结了近年来有关层次孔碳材料的结构设计、可控制备及其在电化学能源器件应用领域等方面的研究进展,并对其未来发展提出了建议与展望。     

Nano graphene porous/conductive polymer as a composite material for energy storage in supercapacitors

This research studies the improving effects of graphene porous (GP) on the supercapacitive performance of a polyaniline/graphene porous (PANI/GP) nanocomposite. GP nanosheets were synthesized via chemical vapor deposition, and PANI/GP was electrochemically composited through successive cyclic voltammetry. The samples were characterized by fast Fourier transform infrared (FTIR), x-ray diffraction (XRD), and scanning electron microscopy (SEM), and energy-dispersive x-ray spectrometry (EDS) techniques. Porous GP nanosheets were uniformly dispersed in the composite structure. Furthermore, the electrochemical performances of the synthesized samples were compared using galvanostatic charge/discharge, electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and cyclic voltammetry (CV). Incorporating GP into the PANI significantly increased specific capacitance from 276 (in PANI) to 577 F/g (in PANI/GP). The electrochemical stability of electrodes was compared during 1000 successive charge/discharge cycles. After 1000 cycles, PANI/GP kept 90% of its initial capacitance, and only 25% of the charge storage capacitance of bare PANI remained.     

计算化学在多孔储氢材料研究中的应用

计算化学方法在多孔储氢材料的应用主要有4个方面:1)研究多孔材料的储氢性能;2)研究多孔材料对氢气的吸附热;3)研究储氢机理;4)设计新型多孔储氢材料。综述了计算化学方法在多孔储氢材料研究中取得的成果和最新进展,展望了计算化学方法在储氢领域的应用前景。     

Design and synthesis of a novel core-shell nanostructure developed for thermal energy storage purposes

This work develops a novel plasma sprayable metal-ceramic core-shell nanostructure, which is able to store thermal energy during heating. In the course of seeking the desirable core material, a diverse set of criteria including low melting point, wide temperature range from melting to boiling point, low coefficient of thermal expansion and high heat of fusion besides the low cost for large scale production was taken into account which finally led us to Tin (Sn) as the most suitable material. To protect Sn core against oxidation, diffusion and repetitive heating/cooling cycles and to preserve the integrity of core-shell nanostructure, ZrO₂ shell was selected as the protective heat resistant shell. However, due to the severe thermal mismatch between Sn core and ZrO₂shell, direct coating of ZrO₂ on Sn is not possible. To overcome this issue and minimizing thermally induced stresses during heating/cooling cycles, a SiO₂ interlayer was used. As is evidenced by XRD, SEM, EDS and TEM, the designed Sn@SiO₂@ZrO₂core-shell nanostructures are successfully synthesized in this work. The formation of its core-shell structure was evidenced by EDS mapping results. The powder product exhibits an agglomerated nature. SEM results indicate that SiO₂ and ZrO₂ shells are porous. The final powder particles are formed from the nanoscale components including nanoscale particulate SiO₂ and ZrO₂ shells. DTA results clearly show the melting of the core on heating and its successive solidification on cooling. Characterization of the thermoresponse of the core-shell nanostructures demonstrates that they exhibit good heat storage characteristics and high thermal reliability for latent-heat storage.     

聚合物相变储能材料的合成及应用研究进展

相变储能技术在节能、环保方面有着巨大的市场潜力和广阔的应用前景,因此越来越受到人们的重视。本文着重介绍了聚合物相变储能材料的合成方法,并综述了聚合物相变储能材料在建筑、电力、太阳能利用等方面的应用研究进展。