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碳质材料在锂硫电池中的应用研究进展

随着石墨负极的成功商用，锂离子电池在智能手机、笔记本电脑等便携式电子设备中已得到广泛的应用。经过20多年的发展，现有基于嵌锂化合物正极的锂离子电池已接近其理论容量，但仍不能满足高速发展的电子工业和新兴的电动汽车等行业的要求，寻找具有更高能量密度的电池系统迫在眉睫。锂硫电池系统具有极高的理论能量密度，在多种储能系统中是最具潜力的一种二次电池。但是锂硫电池中也存在硫的电导率极低、多硫化物溶解迁移等问题，使其在走向实用化的过程中遇到许多困难。纳米碳质材料在新型锂硫电池的开发过程中处于重要地位，通过纳米炭的引入，可以获得导电复合正极材料，控制多硫化物的穿梭，从而有望实现正极硫材料的高效利用。综述了基于纳米炭-硫复合正极材料，尤其是碳纳米管、石墨烯、多孔炭以及其杂化物等材料复合的电极，分析其结构与锂硫电池性能的关系，并展望锂硫电池的发展方向。

关键词: 锂硫电池 , 碳硫复合正极 , 纳米炭 , 碳纳米管 , 石墨烯 , 多孔炭 , 杂化物

由煤沥青高效制备高性能超级电容器用多孔炭

何孝军 , 李晓静 , 王晓婷 , 赵楠 , 余谟鑫 , 吴明铂

新型炭材料 doi:10.1016/S1872-5805(14)60150-5

在较低氢氧化钾用量的条件下,采用一步微波辅助KOH活化法由煤沥青成功制备出多孔炭材料。在KOH/沥青质量比为2∶1,采用30 min微波辅助KOH活化所得多孔炭(PC2ˉM)的比表面积达1786 m2/g。在KOH、K2SO4、Na2SO4、Li2SO4水性电解液及四乙基四氟化硼酸铵盐/碳酸丙烯酯有机电解液中,研究了PC2ˉM电极的电化学性能。在6 mol/L KOH水性电解液中,在0.1 A/g的电流密度下,多孔炭电极的比容达267 F/g；在0.5 mol/L K2 SO4中性电解液中,多孔炭电容器的能量密度高达12.0 Wh/kg,对应的功率密度为1318 W/kg。因此,一步微波辅助氢氧化钾活化煤沥青是一种简单、高效且低能耗的制备超级电容器用高性能多孔炭的方法。

关键词: 煤沥青 , 多孔炭 , 微波辅助氢氧化钾活化 , 超级电容器

用作双电层电容器电极材料的三维层次孔结构多孔炭的合成

金双玲 , 邓洪贵 , 詹亮 , 乔文明 , 凌立成

新型炭材料 doi:10.1016/S1872-5805(12)66005-5

以葡萄糖为碳源,由金属框架有机物( MOF)高效地合成出一种具有三维层次孔结构的多孔炭.当葡萄糖渗入到方形MOF的表面或内部空隙之后,逐步进行聚合和炭化.在此过程中,MOF分解出ZnO,ZnO进一步被基体炭或CO还原成Zn；而Zn又在炭化过程中逸出,以致形成连续的基体炭组织.当所合成的多孔炭用作双电层电容器电极材料时,在1 mo1/L NEt4 BF4/碳酸丙烯酯电解液体系中,其初始比电容达175F·g-1(电流强度0.6A·g-1),并在12A·g-1大电流密度下电容保持率高达94.2％.

关键词: 双电层电容器 , 金属有机聚合物 , 多孔炭 , 电极材料

油泥经热化学处理转化成多孔炭材料的可行性

Shohreh Mohammadi , Nourollah Mirghaffari

新型炭材料 doi:10.1016/S1872-5805(15)60192-5

研究燃油储罐中产生的油泥转化为多孔炭材料的表征和可行性。油泥含有80%碳,主要以脂肪族化合物形式存在。经600℃热处理和KOH存在下的热化学裂解得到2种碳质材料。热化学处理可显著提高所制多孔炭的织构特性,即微孔和介孔结构。该多孔炭表面积、总孔容与微孔比表面积分别为327.95 m2·g-1、0.21 cm3·g-1和89.10 m2·g-1,其在水溶液中对Cd的吸附性能优于商业活性炭。油泥经热化学转化的多孔炭吸附剂能应用于污水处理,是一种转化废弃物的有效途径。

关键词: 油泥 , 多孔炭 , 热化学处理 , 吸附

聚硅氧烷制备高比表面积微介孔炭材料

段力群 , 马青松 , 陈朝辉

新型炭材料 doi:10.1016/S1872-5805(13)60078-5

通过对聚甲基(苯基)硅树脂(SR249)在1250～1350℃、真空气氛下裂解以及氢氟酸酸洗处理制备得到具有高比表面积的纳米多孔炭材料.采用X-ray衍射光谱、拉曼光谱、元素分析、透射电镜及氮气吸附法对不同温度所制样品进行元素组成及结构研究.裂解产物中的SiO2相作为一种天然模板经腐蚀处理除去.裂解温度和酸洗处理对多孔炭材料的成分和结构变化影响较大.HF酸处理前,裂解产物的比表面积小于55 m2/g;而酸洗后产物比表面积和总孔容量显著增加,而最高值是裂解温度为1300℃时获得,分别为1148 m2/g、0.608cm3/g.经酸洗处理得到的多孔炭,孔径分布均相对较窄,在1～4nm.透射电镜结果显示炭材料中的自由碳相和少量的SiC纳米晶及SiOC陶瓷彼此相互包裹.

关键词: 聚硅氧烷 , 纳米多孔炭 , 孔结构 , 裂解 , 腐蚀处理

多孔炭材料在纤维素催化转化中的应用

赵晓晨 , 徐金铭 , 王爱琴 , 张涛

催化学报 doi:10.1016/S1872-2067(15)60942-1

生物质作为自然界唯一可再生的有机碳资源,其利用受到了越来越多的关注。特别是随着能源和环境危机的日益加重,将生物质中非可食用部分催化转化为燃料及具有高附加值的化学品被认为是高效、环保、原子经济的绿色过程。同时,多孔炭材料具有丰富的孔道结构、优异的水热稳定性和大比表面积,是生物质催化转化反应中最常用的载体材料之一。兼之炭材料表面极性、亲疏水性的可调变性,及对酸碱溶剂的反应惰性,也使其无论在学术研究还是在工业应用中都具有特殊的优势。另外,随着纳米炭材料科学的飞速发展,合成孔径、形貌、及表面官能团可控的介孔炭和具有多级孔道结构的多孔炭材料成为可能,将其应用到纤维素催化转化过程中,对深入理解孔道结构、表面官能团对纤维素转化的作用,揭示催化反应作用机制,指导炭基催化剂的设计合成,均具有重要意义。在本综述中,我们首先对纤维素转化中多孔炭的孔道结构和表面官能团性质的独特作用进行了阐述。由于商业活性炭的孔径一般在微孔尺度,但纤维素及可溶低聚糖的分子体积较大,因而其在活性炭中的传质受到了极大的限制。通过模板法获得的介孔炭材料,可实现孔径在2–10 nm的可控合成,大大提高了反应物的扩散速率,使之能与催化活性位有效接触。但孔道过于狭长,在反应过程中堵塞的可能性增高,进而导致催化剂失活；因此,在介孔孔道的基础上,建立互通的多级孔道结构对反应物、中间物、和产物的扩散,及催化活性的保持更为有利。另一方面,炭材料表面的含氧官能团不仅具有加强1,4-糖苷键吸附的作用,还可以作为酸性活性中心催化水解反应的进行；尤其是在传统的水相纤维素催化转化过程中,亲水表面对多孔炭催化剂与反应物的接触非常有利。本文以纤维素水解及纤维素水解加氢反应为例,展开讨论了多孔炭作为固体酸及双功能催化剂载体的应用。在水解反应中,纤维素首先在热水中降解为可溶低聚糖,之后再与活性炭表面官能团反应；其中多孔炭的比表面积、酸量、及酸强度均是促进水解发生的正向因素。在水解加氢反应中,炭载贵金属催化剂作为最常用的加氢催化剂,可获得以六元醇为主的纤维素转化产物。除了加氢作用之外,贵金属小颗粒被证实可以通过氢溢流作用提供水解所需的H+,同时,正价的贵金属也可促进反应过程中的氢转移。另一方面,由于钨物种可催化逆羟醛缩合反应的发生,因此在反应体系中引入钨物种时,水解加氢的主要产物由六元醇变为乙二醇。需要特别指出的是,在纤维素催化水解加氢的过程中,多孔炭材料作为载体同样具有非常重要的作用：一方面,三维介孔的孔道结构不仅有利于反应物、产物的扩散,也有利于加氢金属催化剂的分散,进而提高金属的催化加氢能力；另一方面,当炭材料的表面化学性质改变时,也会影响产物的选择性分布,例如当炭表面显碱性时,由于异构化作用,丙二醇成为主要产物。本文最后,我们列举了一些新型多孔炭材料,包括杂原子改性的多孔炭材料和金属氧化物-炭复合多孔材料的合成方法及其在纤维素催化转化乃至生物质转化中的潜在应用。

关键词: 生物质转化 , 催化 , 多孔炭 , 活性炭 , 介孔炭 , 纤维素

富氮多孔纳米炭纤维的制备及其用作超级电容器电极材料

马昌 , 史景利 , 李亚娟 , 宋燕 , 刘朗

新型炭材料

以商业聚酰亚胺树脂为前驱体,经过静电纺丝和一步炭化制备出富含氮原子的纳米炭纤维,采用扫描电镜、低温氮吸附和XPS等手段对纳米炭纤维的结构进行表征,考察不同炭化温度下纳米炭纤维的孔结构与表面含氮官能团的演变。结果显示,所得聚酰亚胺纤维经过一步高温处理便可得到微孔发达且富含氮原子的纳米炭纤维。随着炭化温度的升高,纳米炭纤维的比表面积与氮含量均逐渐降低。700℃炭化得到的纳米炭纤维的比表面积达到447 m2/g、纤维平均直径为234 nm、表面氮含量达到4.1%。将所得纳米炭纤维直接用作超级电容器电极,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考察。所得富氮纳米炭纤维表现出优异的电容量和表面电化学活性,其比电容达到214 F/g,单位比表面的电容量达到0.57 F/m2。

关键词: 富氮 , 电容器 , 纳米炭纤维 , 多孔炭

超级电容器用高性能石油焦基多孔炭的制备及改性

谭明慧 , 郑经堂 , 李朋 , 椿范立 , 吴明铂

新型炭材料 doi:10.1016/S1872-5805(16)60018-5

以石油炼制副产品石油焦为原料,采用KOH活化法制备高比面积多孔炭,通过氨水水热处理对多孔炭进行表面渗氮改性.系统考察了KOH/石油焦比例(碱/炭比)对多孔炭孔结构及电化学性能的影响.结果表明多孔炭的比表面积、孔结构和电化学性能可以通过碱/炭比有效地调控.随着碱/炭比的增大,多孔炭的孔道逐渐增大,当碱炭比为3:1时最大比表面积达到2 964 m2·g.1.当碱/炭比为5:1时,多孔炭的比表面积和中孔率分别高达2 842 m2·g-1和67.0％,其在50 mA·g-1电流密度下的比电容达到350 F·g-1.氨水水热处理多孔炭,可以有效地在多孔炭表面引入氮原子,从而提高了多孔炭电极的电化学性能,尤其提高其在高电流密度下的比电容值.KOH活化以及氨水水热处理为制备高性能低成本石油焦基超级电容器电极材料提供了一种简单有效的方法.

关键词: 石油焦 , 多孔炭 , 超级电容器 , 氨水水热改性 , 氮掺杂

多孔碳质材料在氧还原电催化中的应用

杨慧聪 , 梁骥 , 王振兴 , 安百钢 , 李峰

新型炭材料

氧气的电化学还原(氧还原)反应是多种能量存储与转化装置中的关键电化学步骤,氧还原的难易程度决定了这些装置综合性能的好坏.氧还原反应自身的动力学过程缓慢,通常需要催化剂来提高反应速率.碳质材料在其中发挥着非常重要的作用,常见氧还原催化剂铂、钯等贵金属及近期出现的多种非贵金属,大多是负载于各种纳米碳质材料或直接利用掺杂纳米碳质材料作为催化剂,包括各种多孔炭或基于多孔炭的材料.因此,多孔碳质材料的发展对于氧还原催化剂的研究与发展起到了促进作用.本文从多孔碳质材料制备手段出发,论述了多孔碳质材料在氧还原反应的作用,涵盖了贵金属催化剂载体到非(贵)金属催化剂等方面的研究进展.与此同时,对新型碳质材料调控多孔结构的方法加以阐述,并对未来新型多孔碳质材料用于氧还原催化剂的前景和方向进行了展望.

关键词: 多孔碳 , 氧还原反应 , 电催化 , 纳米碳质材料

葱叶一步法裂解制备多孔炭及其电容性能研究

于晶 , 高利珍 , 李雪莲 , 吴超 , 高丽丽 , 李长明

新型炭材料 doi:10.1016/S1872-5805(16)60026-4

以葱叶为炭前驱体,在不添加任何活化剂的条件下,炭化活化同时进行,制备了孔径分布主要集中于0.6~1.2 nm和3~5nm之间的葱基多孔炭材料,并对其电容性能进行研究。分别采用扫描电子显微镜( SEM)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、能量弥散X射线光谱(EDX)、火焰原子吸收光谱(FAAS)、X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)和氮气吸脱附曲线等方法表征了葱基炭的形貌、成分、比表面积及孔径分布等性能；通过循环伏安( CV)、交流阻抗( EIS)、恒流充放电( GCD)等电化学方法考察了材料的比电容和循环寿命等电化学性能。结果表明,葱叶中本身含有的微量矿物质如钙、钾等在其炭化的过程中同时起到了活化的作用。研究了不同温度下(600~800℃)制备的多孔炭的性能,发现800℃条件下制得的样品性能最佳,以微孔为主,介孔辅之,孔径为0.6~1.2 nm 的微分孔隙体积达2.608 cm-3/g/nm,3~5 nm 的微分孔隙体积有0.144 cm-3 g/nm,BET比表面积为551.7 m2/g,质量比电容为158.6 F/g,有效面积电容可高达28.8μF/cm2。这表明孔径分布情况对多孔炭的电荷存储能力有很重要的影响,此法也为提高“有效面积电容”提供了思路。

关键词: 多孔炭 , 葱叶 , 一步炭化活化法 , 有效面积电容

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