氢氧化钾活化制备超级电容器多孔碳电极材料

具有高比表面积、良好导电性的多孔碳材料在超级电容器中有着广泛的应用前景. 大量的研究工作致力于通过物理或者化学手段合成并调控多孔材料的微观结构. 在众多多孔碳材料的制备方式中,氢氧化钾作为一种高效的活化剂,常用于制备具有良好孔径分布和高比表面积多孔碳电极材料. 本文主要结合作者课题组的研究工作,着重概述利用氢氧化钾活化sp²碳纳米材料制备多孔碳材料的机理过程、结构形貌的转变以及所得材料的电化学性能,希望对发展新型的高性能基多孔碳材料的超级电容器电极材料有所帮助.     

混合盐活化胖大海基多孔炭的制备及超级电容器电极材料性能

利用浸泡后的胖大海为碳源, 氯化锌和氯化锂混合盐作为活化剂, 采用炭化胖大海(PC-1)、添加氯化锌(PC-2)或添加氯化锌/氯化锂(PC-3)的胖大海的方法制备了3种多孔碳材料, 并通过三电极体系测试电极材料的电化学性能。结果表明, 3种碳材料在电流密度为0.5 A/g的比电容分别为69、132和228 F/g; 当电流密度增加至10 A/g时, PC-3的比电容仍高达166 F/g, 具有良好的倍率性能。该实验表明, 通过氯化锌/氯化锂复合盐活化胖大海分级多孔碳可作为高性能超级电容器电极材料。     

碳凝胶/泡沫镍一体化电极用于高性能的超级电容器

以氧化石墨、间苯二酚、甲醛和泡沫镍为原料,经85 oC水热碳化处理,在泡沫镍表面原位聚合形成了碳凝胶/泡沫镍一体化电极,冷冻干燥处理后可得多孔碳凝胶/泡沫镍一体化电极. 水系和有机系的超级电容器测试表明,多孔碳凝胶/泡沫镍一体化电极具有较高的比容量和良好的循环稳定性,其独特的一体化电极组成和多孔结构有利于电子和电解液离子的有效传输.     

基于碳材料的超级电容器电极材料的研究

超级电容器作为一种新型的能源存储装置,因为其比容量大、充放电速度快、循环寿命长等优点,在储能领域引起了极为广泛的关注。电极材料是决定超级电容器性能的核心因素,其中,常用的超级电容器电极材料主要有如下三类:碳基材料、金属氧化物及氢氧化物材料和导电聚合物材料。本文综述了超级电容器的工作原理并详细介绍了基于碳材料及其二元、三元复合体系的电极材料的研究进展。     

碳基超级电容器电极材料的研究进展

超级电容器是近年迅速发展起来的一种新型储能元件,决定超级电容器性能的最重要因素是电极材料。碳材料以其比电容高、循环寿命长和资源丰富等优点,已经成为当前超级电容器电极材料的有力竞争者。用作超级电容器电极的碳材料主要包括活性炭、碳纳米管、石墨烯等。本文详细介绍了超级电容器用碳材料的特点、应用及发展状况,并指出制备具有大比表面积和高导电率的多孔碳是当前碳材料电极的主要研究方向。     

聚苯胺/介孔碳纳米线复合电极材料的制备和性能

以介孔碳纳米线为基体, 通过电化学方法制备了新型聚苯胺/介孔碳纳米线(PANI/MCFs)复合材料, 采用SEM和TEM等手段对样品的结构和形貌进行了表征. 结果表明, 聚苯胺均匀附在介孔碳纳米线表面, 并填充到纳米线介孔孔道中. 将复合材料组装成三电极体系超级电容器, 用循环伏安、 恒流充放电和交流阻抗等方法对材料的电化学性能进行了测试. 结果显示, 在1 mol/L H₂SO₄溶液中, 复合材料的比电容达到391 F/g, 其循环稳定性也得到显著提高.     

碳气凝胶的孔结构及其对电化学超级电容器性能的影响

通过改变碳气凝胶的溶胶-凝胶制备条件和炭化活化工艺,实现了对碳气凝胶纳米孔洞结构的控制.采用扫描电子显微镜(SEM)和氮气等温气体吸附法对碳气凝胶和KOH活化碳气凝胶的形貌和孔结构进行了表征和分析,并且使用循环伏安法(CV),恒流充放电,电化学阻抗谱(EIS)等检测技术评价了电化学性能.结果表明:发达的三维纳米网络结构与合理的孔径分布是影响碳气凝胶电化学超级电容器性能的关键因素.经适度活化后的碳气凝胶材料含有丰富的介孔,比表面积可达1480m2·g-1.在6mo·lL-1的KOH溶液中,在100mV·s-1的扫描速率下其比电容量高达216F·g-1.通过拟合发现,碳气凝胶类材料的大孔和介孔拥有更高的单位面积比电容量.     

明胶基多孔碳球电极材料的制备及电化学性能研究

Gelatin-based porous carbon beads have been fabricated from gelatin micro-spheres by means of solidification, carbonization and chemical activation with KOH. The physical properties of gelatin-based porous carbon beads were studied by a t-plot method based on N₂ adsorption isotherms. The gelatin-based porous carbon beads activated at 800 ℃ exhibited the largest specific surface area and resulted in the highest capacitance. Carbon/carbon super-capacitors cells assembled with the electrode materials in 1.0 mol·L^-1 NEt₄BF₄ / acetonitrile electrolyte have also been studied. The electrochemical properties of gelatin-based porous carbon beads electrode were studied by using constant-current discharge tests. The results indicate that the gelatin-based porous carbon beads electrode is with good cycling stability and specific capacitance of 119.8 F·g^-1.     

碳化法国梧桐絮制备碳微米管及作为超级电容器电极的研究

利用法国梧桐絮(花粉)的管状结构,通过简单的碳化处理制备了碳微米管。并用扫描电子显微镜、X-射线衍射光谱仪、拉曼光谱仪和X射线光电子能谱仪对碳微米管进行了详细分析。碳微米管的外径为20~30μm,壁厚约为1μm。其内外壁存在着许多微孔和介孔,BET比表面积为265 m2.g-1。碳微米管具有典型的电化学双电层电容性能,表现出优异的稳定性,展示了在超级电容器方面的应用潜力。     

氮掺杂高比表面多孔碳的一步化学活化法制备及其超电容性能

以聚氨酯发泡剂为碳源和氮源,以氢氧化钾为活化剂,采用一步化学活化法制备了具有高比表面积的氮掺杂活性炭。采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、N_2吸附-脱附、X射线粉末衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、光电子能谱(XPS)对碳材料的微观形貌、组成、比表面积和孔道结构进行了表征。结果表明,在700℃活化的碳材料FC700具有最高的比表面积(2 740 m~2·g~(-1))和最大的孔容(1.27 cm~3·g~(-1)),这归因于KOH与泡沫的充分相互作用。在以6.0 mol·L~(-1)KOH为电解液的三电极体系中,当电流密度为0.5 A·g~(-1)时,其比电容达到了452 F·g~(-1)。在组装的对称超级电容器中,其比电容达到了344 F·g~(-1),功率密度为247 W·kg~(-1)时对应的能量密度为11.9 Wh·kg~(-1)。在10 000次循环后电容保持率为98.03%,表现出优异的稳定性。FC700的优异电化学性能可能归因于高的比表面积,大的孔体积和氮原子的掺杂。     

Single-walled Carbon Nanotubes as Electrode Materials for Supercapacitors

Large-scale synthesized single-walled carbon nanotubes （SWNT） prepared by electric arc discharge method and a mixture of NiO and Y2O3 as catalyst have been used as electrode materials for supercapacitors. N2 adsorption/desorption measurement shows that the SWNT is a microporous and mesoporous material with specific surface area 435 m^2·g^-1. The specific capacitance of the nitric acid treated SWNT in aqueous electrolyte reaches as high as 105 F/g, which is a combination of electric double layer capacitance and pseudocapacitance. The SWNT-based capacitors also have good charge/discharge reversibility and cycling perdurability.     

聚吡咯/硝酸活化碳气凝胶纳米复合材料的制备表征及其在超级电容器中的应用

通过化学氧化聚合法制备出不同比例的聚吡咯(PPY)/硝酸活化碳气凝胶(HCA)复合材料。采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和扫描电子显微镜(SEM)表征材料的成分和形貌,结果表明,通过硝酸活化及与聚吡咯的复合,并未破坏碳气凝胶的多孔形貌,硝酸活化碳气凝胶及聚吡咯/硝酸活化碳气凝胶都仍然保持着原碳气凝胶的三维纳米多孔结构。采用对照实验的方法,设计并合成五组不同配比的复合材料,聚吡咯与硝酸活化碳气凝胶的质量比例分别为3:1、2:1、1:1、1:2、1:3,通过循环伏安法,恒流充放电,交流阻抗及循环性测试等考察材料的电化学性能。结果证明,当聚吡咯与硝酸活化碳气凝胶比例为1:1时,复合材料显示出最优电化学性能:比电容高达336 F·g^-1,是纯碳气凝胶(103 F·g^-1)的三倍有余,除此还显示出卓越的导电性与循环稳定性, 2000次循环后仍保持初始电容的91%,具备优良的超级电容器电极材料性能。因此聚吡咯/硝酸活化碳气凝胶复合纳米材料是超级电容器的理想电极材料。     

Telluride-Based Materials: A Promising Route for High Performance Supercapacitors

As supercapacitor (SC) technology continues to evolve, there is a growing need for electrode materials with high energy/power densities and cycling stability. However, research and development of electrode materials with such characteristics is essential for commercialization the SC. To meet this demand, the development of superior electrode materials has become an increasingly critical step. The electrochemical performance of SCs is greatly influenced by various factors such as the reaction mechanism, crystal structure, and kinetics of electron/ion transfer in the electrodes, which have been challenging to address using previously investigated electrode materials like carbon and metal oxides/sulfides. Recently, tellurium and telluride-based materials have garnered increasing interest in energy storage technology owing to their high electronic conductivity, favorable crystal structure, and excellent volumetric capacity. This review provides a comprehensive understanding of the fundamental properties and energy storage performance of tellurium- and Te-based materials by introducing their physicochemical properties. First, we elaborate on the significance of tellurides. Next, the charge storage mechanism of functional telluride materials and important synthesis strategies are summarized. Then, research advancements in metal and carbon-based telluride materials, as well as the effectiveness of tellurides for SCs, were analyzed by emphasizing their essential properties and extensive advantages. Finally, the remaining challenges and prospects for improving the telluride-based supercapacitive performance are outlined.     

基于聚多巴胺的氮掺杂碳材料的制备及其电化学性能

多孔碳材料由于高的比表面积、优异的电子传导率、良好的化学稳定性等优点在超级电容器电极材料领域被广泛研究。 碳材料的组成及表面孔结构直接影响其电化学性能,为进一步提高碳材料的电容性能,本文首次以聚多巴胺球为前体,KOH为活化剂,通过高温碳化成功制备了良好电化学性能的氮掺杂多孔碳材料。 通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、 X射线粉末衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)和Raman光谱等对所制备的氮掺杂多孔碳材料进行了形貌及结构组成的表征。 在6 mol/L KOH电解液中, 采用循环伏安、恒电流充放电对多孔碳材料的电化学性能进行了研究。 结果表明,由于双电层电容和赝电容的协同作用,在电流密度为1 A/g时,材料的比电容可达269 F/g,充放电循环1000圈后电容仍可保留初始值的93.5%。     

高功率超级电容器用介孔炭电极材料

以纳米CaCO3为模板、蔗糖为前躯体制备超级电容器用介孔炭电极材料.材料的结构由氮吸附、TEM表征,借助恒流充放电、循环伏安和交流阻抗评价了其在6 mol.L-1KOH电解液中的电化学电容性能.结果表明,蔗糖基介孔炭的比表面积606 m2/g,富含10~30 nm的介孔.恒流放电法测得介孔炭在电流密度50 mA/g下的比电容为125 F/g,大电流倍率性能特别突出.电流密度增大到20 000 mA/g,比电容还保持有88F/g,远高于进口电容炭,该介孔炭是一种很有前景的高功率超级电容器炭电极材料.     

Nano Carbon Doped Polyacrylamide Gel Electrolytes for High Performance Supercapacitors

Novel polyacrylamide gel electrolytes (PGEs) doped with nano carbons with enhanced electrochemical, thermal, and mechanical properties are presented. Carboxylated carbon nanotubes (fCNTs), graphene oxide sheets (GO), and the hybrid of fCNT/GO were embedded in the PGEs to serve as supercapacitor (SC) electrolytes. Thermal stability of the unmodified PGE increased with the addition of the nano carbons which led to lower capacitance degradation and longer cycling life of the SCs. The fCNT/GO-PGE showed the best thermal stability, which was 50% higher than original PGE. Viscoelastic properties of PGEs were also improved with the incorporation of GO and fCNT/GO. Oxygen-containing functional groups in GO and fCNT/GO hydrogen bonded with the polymer chains and improved the elasticity of PGEs. The fCNT-PGE demonstrated a slightly lower viscous strain uninform distribution of CNTs in the polymer matrix and the defects formed within. Furthermore, ion diffusion between GO layers was enhanced in fCNT/GO-PGE because fCNT decreased the aggregation of GO sheets and improved the ion channels, increasing the gel ionic conductivity from 41 to 132 mS cm⁻¹. Finally, MnO₂-based supercapacitors using PGE, fCNT-PGE, GO-PGE, and fCNT/GO-PGE electrolytes were fabricated with the electrode-specific capacitance measured to be 39.5, 65.5, 77.6, and 83.3 F·g⁻¹, respectively. This research demonstrates the effectiveness of nano carbons as dopants in polymer gel electrolytes for property enhancements.     

氮掺杂碳片的模板诱导制备及其在超级电容器中的应用

兼具有优良的导电能力,高的比表面积和极佳的化学/机械稳定性,具有二维形貌的纳米碳材料近年来逐渐成为超级电容器电极材料的研究热点. 我们在此首次报道一种模板诱导方法以制备具有规整片状形貌的氮掺杂碳材料. 我们将作为硬模板的片状镁铝双金属氢氧化物与熔融的邻苯二胺混合后加入三氯化铁催化剂,进而通过加热使邻苯二胺聚合并碳化,随后刻蚀除去其中的氧化物成分即可以得到具有规整六边形片状氮掺杂碳材料. 通过改变碳化时的温度,可以有效的调节利用该方法所得到的氮掺杂碳片的形貌、结构、石墨化程度、氮含量以及比表面积. 更重要的是这些氮掺杂碳片在用作超级电容器电极材料时体现出优异的电化学性能,在0.5 A·g^-1的电流密度下其比容量可以达到290.0 F·g^-1的. 在1 A·g^-1的电流密度下经过10000周循环测试后,其容量仍然可以达到初始值83%.