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螺旋碳纳米管/DNA可拉伸超级电容器电极的制备及其性能的研究

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离子交换与吸附 2019年第3期35卷 201-208页

作者：李俊蒋大伟苏健刘遵峰常州大学材料科学与工程学院药物化学生物学国家重点实验室功能高分子材料教育部重点实验室南开大学

采用碳纳米管薄膜和DNA复合电极,把碳纳米管加捻成螺旋线,在不采用柔性基底的情况下,制作成为可拉伸超级电容器电极。结果表明,该超级电容器电极,在拉伸过程中保持良好的稳定性,拉开一定长度电容保持稳定,最大比电容有35F/g,其最大应变... 详细信息

采用碳纳米管薄膜和DNA复合电极,把碳纳米管加捻成螺旋线,在不采用柔性基底的情况下,制作成为可拉伸超级电容器电极。结果表明,该超级电容器电极,在拉伸过程中保持良好的稳定性,拉开一定长度电容保持稳定,最大比电容有35F/g,其最大应变可以达到50%,同时具有良好的可回复性。

关键词：碳纳米管薄膜 DNA大分子超级电容器电极可拉伸电极

添食法制备MoO2复合蚕丝及其碳化后用作超级电容器电极的研究

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添食法制备MoO2复合蚕丝及其碳化后用作超级电容器电极的研究

作者：梁健威西南大学

学位级别：硕士

桑蚕丝作为一种蛋白质聚合物,与人工合成聚合物相比具有独特的优势,如生物相容性和可持续性等。通过碳化的方式可以将蚕丝转化为活性碳纤维,碳化蚕丝能够保持柔韧性,具有一定的力学性能。此外,由于蛋白质中富含氮元素,因此碳化蚕丝是一... 详细信息

桑蚕丝作为一种蛋白质聚合物,与人工合成聚合物相比具有独特的优势,如生物相容性和可持续性等。通过碳化的方式可以将蚕丝转化为活性碳纤维,碳化蚕丝能够保持柔韧性,具有一定的力学性能。此外,由于蛋白质中富含氮元素,因此碳化蚕丝是一种氮掺杂的碳材料。尽管有报道表明氮掺杂在碳材料中可以引入更多的电荷转移位点,但经我们实验发现碳化蚕丝在没有修饰的情况下,其比电容远低于当前常用的碳基材料,不适用为超级电容器电极。因此,提高碳化蚕丝比电容是实现碳化蚕丝在超级电容器电极应用中的关键。当前制备高比电容碳材料的主要策略为将具有高比电容的过渡金属氧化物与碳材料相结合。但根据我们的调查发现,目前将碳材料和过渡金属氧化物结合的方法存在步骤复杂,不符合绿色环保发展理念的缺点。因此,开发一种绿色环保的方法将蚕丝和过渡金属氧化物结合提高碳化蚕丝的比电容对于碳化蚕丝的应用发展尤为关键。在本论文中,我们基于家蚕添食法开发了一种绿色环保的方式提高碳化蚕丝的比电容。主要获得以下研究结果:1.添食MoO NPs对家蚕生物学特征以及蚕丝性能的影响实验发现,添食浓度低于5 g/L(混合液中浓度)的纳米二氧化钼(MoO NPs),不会影响家蚕的正常生长。但当添食浓度为5 g/L时,家蚕的后部丝腺会受到损伤,吐丝量(茧层率)降低。实验结果表明,家蚕中部丝腺中钼元素含量随MoO NPs添食浓度的提高而上升。我们通过透射电镜(TEM)观察到MoO NPs成功嵌入到蚕丝中,并保持原有的纳米尺度。这是首次在蚕丝中直接观察到所添食的纳米颗粒。傅里叶红外光谱(FTIR)结果表明丝素蛋白的β-折叠含量会随MoO NPs添食浓度的升高而降低。我们还发现向家蚕添食MoO NPs可以有效的提高蚕丝的力学性能,并且在添食浓度为500mg/L时,蚕丝的断裂强度和伸长率达到最大值。2.添食MoO NPs对碳化蚕丝电学性能的影响我们通过扫描电镜(SEM)和TEM观察到蚕丝在碳化后仍保持其原有的纤维形态。实验结果表明,碳化蚕丝具有良好的导电性,其电容由双电层电容和赝电容组成。我们通过恒电流充放电法(GCD)测试计算碳化蚕丝的比电容,发现添食浓度5 g/L的MoONPs,在电流密度为0.2 A/g的条件下可以将碳化蚕丝的比电容从100 F/g提升到245 F/g。此外,该碳化蚕丝电极还表现出高库伦效率和优异的循环稳定性。3.以HPMC作为分散剂分散MoO NPs对家蚕生物学特征及蚕丝性能的影响在喷洒组中,我们发现MoO NPs在蚕丝中发生聚集,因此我们以0.5%的羟丙基甲基纤维素(HPMC)溶液作为分散剂分散MoO NPs,发现添食HPMC对家蚕的生长和蚕丝的形貌没有影响。但添食HPMC会对家蚕后部丝腺造成损伤,而低浓度的MoO NPs可以减缓此类伤害。此外,电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)结果表明,添食高浓度的MoO NPs时,HPMC有助于MoO NPs进入家蚕丝腺。我们通过TEM观察到掺入到蚕丝中的MoO NPs能够有效分散。此外FTIR的结果表明添食HPMC会阻碍丝素蛋白从无规卷曲向β-折叠的转变。4.以HPMC作为分散剂分散MoO NPs对碳化蚕丝电学性能的影响实验结果表明,碳化蚕丝中的MoO NPs没有聚集,同时我们通过拉曼光谱测试发现添食HPMC可以有效的提高碳化蚕丝的石墨化程度,因此该碳化蚕丝具有更好的导电性。与未添食HPMC组相比,MoO NPs添食浓度为5 g/L,电流密度为0.2 A/g时,添加了HPMC作为分散剂的实验组能够提高碳化蚕丝比电容至456 F/g,而未添加HPMC组仅提高到245 F/g。我们认为这是因为MoO NPs得到了有效分散所获得的结果。综上所述,本论文开发了一种绿色有效的策略提高碳化蚕丝作为超级电容器的潜能,并对其机理进行了探究。本论文有效的扩大了碳化蚕丝在超级电容器方面的应用潜能。

关键词：添食法纳米二氧化钼碳化蚕丝超级电容器电极羟丙基甲基纤维素

基于三维网络结构的石墨烯基柔性超级电容器电极的制备与性能研究

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基于三维网络结构的石墨烯基柔性超级电容器电极的制备与性能研究

作者：刘奇东华大学

学位级别：硕士

在过去的数十年间超级电容器引起了科研工作者们的广泛兴趣,尤其是随着当代社会便携式、可穿戴式电子产品的发展,超级电容器变得更加引人瞩目。超级电容器,也称之为电化学电容器,作为一种电化学储能器件,具有比锂离子电池高的功率密度... 详细信息

在过去的数十年间超级电容器引起了科研工作者们的广泛兴趣,尤其是随着当代社会便携式、可穿戴式电子产品的发展,超级电容器变得更加引人瞩目。超级电容器,也称之为电化学电容器,作为一种电化学储能器件,具有比锂离子电池高的功率密度和比传统电容器高的能量密度,而且具有超长的循环寿命和使用安全性,是柔性储能器件的理想选择。由于石墨烯独特的结构赋予其优越的机械、电学性能以及比表面积等特性,因此宏观石墨烯材料有望在柔性可穿戴式电子器件及能源等领域发挥重大的作用。基于此,本论文从石墨烯及其复合薄膜的制备及微观结构的调控着手,采用电化学沉积、抽滤自组装等方法制备了纯石墨烯薄膜及石墨烯复合薄膜,对其微观结构和电化学储能特性进行了分析与讨论。具体研究内容如下:将石墨烯的双电层电容和金属氧化物的赝电容进行结合,制备了以泡沫镍为基底的石墨烯/氧化镍复合薄膜电极。在1A/g的电流密度下比电容达到803F/g,电化学性能得到了较大提升。以棉布为基底,通过光照还原和原位聚合的方法制备了具有良好柔性的石墨烯/聚苯胺复合材料棉布电极。在扫描速率为3mV/s的条件下,质量比电容可以达到900F/g,是一种适用于智能服装等的高性能电极材料。通过抽滤自组装和激光照射的方法制备了以三维石墨烯薄膜作为电极的柔性全固态超级电容器。制备的石墨烯电极具有优异的机械性能、高电导率(8.53Ω)和良好的电化学性能(185 F/g)。这种自支撑的三维石墨烯薄膜可以不依赖集流体和粘结剂直接应用于超级电容器,而且在弯折情况下仍能表现出良好的电化学性能,有望广泛应用于柔性储能器件中。

关键词：石墨烯三维柔性超级电容器电极

金属羟基氧化物提升聚吡咯@纤维素纤维超级电容器电极电容性能的研究

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金属羟基氧化物提升聚吡咯@纤维素纤维超级电容器电极电容性能的...

作者：姜荣柱（Youngchu Kang）东北林业大学

学位级别：硕士

在以前的研究工作中,我们使用原位沉积的羟基氧化钴(CoOOH)和ZIF-67(一种钴基金属-有机骨架,Co-MOF)衍生的羟基氧化钴(ZIF-67-OOH)作为中间层,极大地提升了聚吡咯@纤维素纤维(PPy@CFs)的电容性能。当电流密度为 0.2 A g-1 时,PPy@CoOOH@... 详细信息

在以前的研究工作中,我们使用原位沉积的羟基氧化钴(CoOOH)和ZIF-67(一种钴基金属-有机骨架,Co-MOF)衍生的羟基氧化钴(ZIF-67-OOH)作为中间层,极大地提升了聚吡咯@纤维素纤维(PPy@CFs)的电容性能。当电流密度为 0.2 A g-1 时,PPy@CoOOH@CFs 和 PPy@ZIF-67-OOH@CFs 的比电容分别为571.3和696.65 F g-1。然而,钴金属的高成本和低丰度限制了其应用。因此,寻找廉价的金属羟基氧化物作为CoOOH的替代品,对于开发具有高比电容和高循环稳定性的新型低成本纸基超级电容器电极至关重要。在本工作中,提出了以廉价的羟基氧化镍(NiOOH)和更廉价的羟基氧化铁(FeOOH)来代替较昂贵的CoOOH为中间层制备PPy@MOOH@CFs(M=Ni/Fe)复合材料,并研究了其电容性能。首先,在室温下,基于开放系统中的“液相还原”,在CFs表面成功地沉积了 NiOOH,并采用原位聚合法制备了 PPy@NiOOH@CFs复合材料。结果表明,该复合电极具有良好的电容性能,NiOOH作为中间层的引入可提升该复合电极的比电容(0.2 A g-1电流密度下为528.4 F g-1)和循环稳定性(1000次循环后电容保持率为87.23%)。PPy@NiOOH@CFs复合材料的结果与PPy@CoOOH@CFs复合材料(0.2 A g-1电流密度下比电容为571.3 F g-1,1000次循环后电容保持率为93.02%)的结果非常接近,表明这种低成本绿色方法在柔性超级电容器中具有巨大的潜在应用。第二,在室温开放体系中通过NaBH4液相还原和冰浴原位聚合成功地制备了 PPy@FeOOH@CFs复合电极材料。FeOOH作为中间层的并入克服了 PPy@CFs复合材料的固有缺陷。所制备的PPy@FeOOH@CFs纸超级电容器电极(PIC-11)在0.2 Ag-1的电流密度下获得了高的比电容(513.85 F g-1)和高的循环稳定性(1000次循环后电容保持率为89.36%),这可与PPy@NiOOH@CFs复合材料相媲美。由于其优异的电容性能和低廉的成本,PPy@FeOOH@CFs复合纸可作为储能领域的柔性电极材料。本研究开发的新型低成本复合纸基电极材料(PPy@MOOH@CFs,M=Ni/Fe)为柔性超级电容器电极材料的商业应用提供了巨大的可能性。

关键词：纤维素纤维聚吡咯羟基氧化镍羟基氧化铁超级电容器电极电容性能低成本

单壁碳纳米管与杂元素掺杂碳纳米纤维超级电容器电极材料制备及性能

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单壁碳纳米管与杂元素掺杂碳纳米纤维超级电容器电极材料制备及性...

作者：张浩北京化工大学

学位级别：硕士

作为一种具有长循环寿命,简单工作原理,以及高倍率性能等特点的储能元件,超级电容器已经获得了越来越多的关注。超级电容器电极材料的研究热点一直在于选取一种合适的基体材料,而碳材料是首选。然而,用碳材料制备的电容器存在着一些问题... 详细信息

作为一种具有长循环寿命,简单工作原理,以及高倍率性能等特点的储能元件,超级电容器已经获得了越来越多的关注。超级电容器电极材料的研究热点一直在于选取一种合适的基体材料,而碳材料是首选。然而,用碳材料制备的电容器存在着一些问题,譬如倍率性能不够好和相比传统电池等储能元件能量密度较低,诸多问题都限制了碳材料超级电容器的实际应用。研究表明提高超级电容器电极材料的导电性能以及引入杂原子活化等方法,可以有效提高碳基材料超级电容器的性能。为制备同时具有高容量与高倍率性能的超级电容器,本实验将不同含量单壁碳纳米管(SWCNTs),分别与选取固定含量的两种不同杂元素,以共掺加的方式加入聚丙烯腈基体的碳纳米纤维前驱体中,制备了两种单壁碳纳米管/杂元素复合纤维,然后采用静电纺丝,预氧化热处理以及碳化的方法将材料成型并组装超级电容器电极材料。本实验先通过使用电子显微镜、拉曼光谱和电化学测试等方法,探讨了不同的碳化温度、不同的SWCNTs含量对于纤维形貌和对超级电容器电极材料电化学性能的影响。随后通过引入固定含量杂原子对材料进行活化的方法,研究了磷和硼元素对于不同含量SWCNTs掺杂碳纳米纤维材料超级电容器的电化学性能影响。实验结果表明,在单纯SWCNTs掺杂的碳纳米纤维电容器电极材料中,以800℃碳化且含有10wt%SWCNTs的碳纳米纤维所制备的超级电容器的性能最好,其容量在0.5Ag1可达125Fg-1,在30Ag-1可达70Fg-1。在使用了磷酸和硼酸活化的碳纳米纤维中,含有10vt%SWCNTs,20wt%磷酸活化碳纳米纤维的电化学性能最高,其容量在0.5Ag-1可达234Fg-1,在30Ag-1可达176Fg-1。含有10wt%SWCNTs的20wt%硼酸活化碳纳米纤维性能较次,其容量在0.5Ag-’可达148.9Fg1,在30Ag-1可达91Fg-1。电极材料电化学性能的提高主要归因于单壁碳纳米管的掺杂使得碳纳米纤维材料导电率的提高,以及磷元素与硼元素对电极材料的活化所产生的赝电容。

关键词：超级电容器电极碳纳米纤维单壁碳纳米管杂元素掺杂超高倍率性

镍钴基金属磷化物电极材料的制备及其超电容性能研究

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镍钴基金属磷化物电极材料的制备及其超电容性能研究

作者：唐海琳中国矿业大学

学位级别：硕士

超级电容器与电池和燃料电池相比具有一些独特的优势,例如,快速地充/放电、寿命长(>10000次)、功率密度高,在学术界和工业界引起了相当大的兴趣,并且超级电容器电极材料的研发成为了研究者着重研究的热点。而超级电容器的核心部件是电... 详细信息

超级电容器与电池和燃料电池相比具有一些独特的优势,例如,快速地充/放电、寿命长(>10000次)、功率密度高,在学术界和工业界引起了相当大的兴趣,并且超级电容器电极材料的研发成为了研究者着重研究的热点。而超级电容器的核心部件是电极材料,其直接决定了电容、能量密度和功率密度,但是超级电容器具有能量密度低的缺点,所以设计高比电容的电极材料是解决该缺点的关键所在。对于过渡金属磷化物,不仅具有催化性能而且具有储能性能,当它作为储能器件时,具有大通道和空腔的开放框架结构赋予电极材料良好的离子传导性和电荷存储能力。但是目前过渡金属磷化物存在的问题是合成过程复杂、在碱性电介质中测试时倍率性能和循环稳定性能较差,因此限制了过渡金属磷化物在实际应用的发展。本论文以镍钴双金属磷化物为研究对象,通过改进合成方法和改善微观形貌结构,提升比电容和增强在充放电过程中的结构稳定性。具体内容如下:1、设计分步电化学沉积法在泡沫镍上制备磷化物电极材料,且探究了不同电化学沉积时间下对形貌的影响和镍钴双金属的协同效应对性能的影响。经过对微观形貌、组分和电化学性能进行比较,观察到在30 min电化学沉积时间下制备的NiP@CoP复合材料,在电流密度为1A g时的比电容为654 F g。在经过10000次循环后,比容量保持为原有的73.8%。2、通过电化学沉积-脱合金和水热反应在泡沫镍上制备的针状结构进而交错互联形成纳米片状结构的Ni@NCP电极材料。电化学沉积-脱合金制备的空心Ni纳米管与镍钴双金属磷化物的协同作用不仅优化形貌而且还充分利用各自的优势。空心Ni纳米管起到支撑作用,水热反应合成的纳米片在电解液中暴露出丰富的活性位点,改善导电性差的问题,为离子的传输提供大量的路径,从而提升电化学性能。其中Ni@NCP电极材料在1 A g时,比电容为980 F g,到20 A g时为640 F g,为初始比电容的65.3%。经过10000次循环后还能保持为原有比容量的80.1%。3、在多活性位点的树枝晶基底上面通过一步电沉积制备多孔的超薄Cu@NCP电极材料。因为在树枝晶Cu骨架上合成的镍钴磷纳米片阵列结构,提升了电极材料在离子传输时的“有效比表面积”。而且在电解液中多活性位点的Cu@NCP增加了离子传输的高速途径和缩短了电子在反应过程中的传输距离,从而使电极材料在充放电过程中的体积变化得以控制。实验证明Cu@NCP电极在1 A g时具有可观的比电容(3212 F g),优秀的倍率性能(在20 A g的2960 F g,为初始比电容的93%)和优异的循环稳定性(在进行10000次的循环后,比容量仍能保持为初始比容量的90.6%)。

关键词：超级电容器电极镍钴基磷化物协同效应电化学性能

深共晶溶剂用于制备木质素和纤维素基材料及在超级电容器中的应用

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深共晶溶剂用于制备木质素和纤维素基材料及在超级电容器中的应用

作者：马中正中国科学技术大学

学位级别：硕士

木质纤维素生物质是世界储量和分布最丰富的资源之一,由于其组分的可再生性和丰富的官能团,促使其在多领域有着广泛的应用。其中应用最多的组分为纤维素和木质素,这两者均含有大量的含氧官能团,使得其反应性和修饰的可能性大大提高,并... 详细信息

木质纤维素生物质是世界储量和分布最丰富的资源之一,由于其组分的可再生性和丰富的官能团,促使其在多领域有着广泛的应用。其中应用最多的组分为纤维素和木质素,这两者均含有大量的含氧官能团,使得其反应性和修饰的可能性大大提高,并与多种材料有着复合的亲和性。这些特性也同样引起了超级电容器领域的关注,用于缓解现有商业超级电容器电极存在的高污染和高成本的问题。在本文的第二章中,由氯化胆碱、尿素和甘油组成的深共晶溶剂(DES)被用于从廉价和清洁的碱木质素中制备分级多孔炭(HPCs)。首先,在深共晶溶剂中交联木质素和聚乙二醇二缩水甘油醚(PEGDE),形成具有分级孔结构的共晶凝胶模板,该模板具有高离子传导性和高强度,可以被用于传感器。去除部分DES的共晶凝胶模板依次在N2和CO2的气氛中热解,形成分级多孔炭。接枝在共晶凝胶模板上的尿素和DES作为氮源,完成了氮掺杂。分级多孔炭具有足够的比表面积和分级多孔的三维框架。用木质素和DES生产的多孔炭电极显示出明显增强的比电容(比容量最高达到270 F/g)和高性能的稳定性(在8 A/g时,10000个循环中比电容损失为7%),这归功于合理的孔隙结构和优秀的氮掺杂效率之间的协同作用。在本文的第三章中,我们用一锅法制作了含部分纤维素纳米纤维的纤维素与还原石墨烯复合膜,通过掺入少量的DES和纤维素促进了还原石墨烯的分散。氢氧化胆碱和L-鸟氨酸盐酸盐组成的DES加热溶胀漂白纤维素,并通过超声处理促使纤维素分散并剥离出部分纤维素纳米纤维,并且由于DES的强氢键相互作用力阻止了还原石墨烯的聚集。此复合膜具有良好的弯折性和高导电性。通过电化学测试,由于氮原子的引入和石墨烯良好的还原效果,其具有高面积比电容(电流密度为1 mA/cm2时达到382 mF/cm2)和良好的循环稳定性(在10 mA/cm2时,3000个循环中电容损失为6%)。总的来说,本论文对木质纤维素生物质和DES在超级电容器电极领域的应用进行了研究,并提供了一些新颖且有应用价值的方法和途径。

关键词：木质纤维素深共晶溶剂共晶凝胶超级电容器电极石墨烯

自模板法合成生物质基多孔碳纳米管及其在储能和催化降解领域的应用

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自模板法合成生物质基多孔碳纳米管及其在储能和催化降解领域的应...

交流电电解制备NiO-Ni(OH)_(2)/石墨片及其电性能研究

2023年有机固废处理与资源化利用大会

作者：徐曼曼付仕琪范煜旗王安祺东莞理工学院生态环境工程技术研发中心

目前,全球面临能源匮乏和环境恶化两大问题,而生物质废弃物是一种未被充分开发的能源和材料前驱体。为了应对这些挑战,本研究提出了一种简单的、可扩大化的自模板法用于合成灵芝药渣基多孔碳纳米管（ST-DDLGC）。所得的材料ST-DDLGC具... 详细信息

目前,全球面临能源匮乏和环境恶化两大问题,而生物质废弃物是一种未被充分开发的能源和材料前驱体。为了应对这些挑战,本研究提出了一种简单的、可扩大化的自模板法用于合成灵芝药渣基多孔碳纳米管（ST-DDLGC）。所得的材料ST-DDLGC具有较大的比表面积和较高的孔隙率,同时还很好的保留了灵芝药渣前驱体自身的中孔管状结构,并且在管壁面上产生了分级的多孔结构。一方面,在ST-DDLGC/PMS体系中,卡培他滨（capecitabine,CAP）在120分钟内可以被降解97.3%。而且,ST-DDLGC在pH值为3-9范围内均表现出很高的催化活性,对废水和天然水体中典型的、无处不在的阴离子（例如:HPO、NO、Cl和HCO）都具有很强的抗干扰性,降解过程是以O为主导的氧化过程。另一方面,ST-DDLGC基扣式超级电容器装置也具有优异的电化学性能,当电流密度为0.5 A g时,比电容高达328.6 F g。在2 A g-1的电流密度下,循环充放电1万圈后,超级电容器的循环稳定性高达98.6%。ST-DDLGC优异的电化学性能可以归因于其独特的多孔管状结构,这种结构有利于传质并且提供了更多的活性位点。这项工作表明,ST-DDLGC是构建价格低廉的环境功能材料和能源储存装置的潜在候选材料。

关键词：灵芝药渣多孔碳纳米管自模板法废水治理超级电容器电极

来源： cnki会议评论

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平顶山学院学报 2023年第5期38卷 38-42页

作者：孙开莲杨雯婷曹婷王璇毛倩倩滁州学院材料与化学工程学院安徽滁州239000

分别以镍条和石墨棒为电极、氢氧化钠为电解液,施加交流电进行电解合成NiO-Ni(OH)_(2)/石墨片复合材料.通过XRD、SEM及(HR)TEM等对该材料进行物性表征,并研究其用作超级电容器电极的电化学性能.结果表明,经电解进入溶液中的镍离子以NiO... 详细信息

分别以镍条和石墨棒为电极、氢氧化钠为电解液,施加交流电进行电解合成NiO-Ni(OH)_(2)/石墨片复合材料.通过XRD、SEM及(HR)TEM等对该材料进行物性表征,并研究其用作超级电容器电极的电化学性能.结果表明,经电解进入溶液中的镍离子以NiO和Ni(OH)_(2)两种晶体形式,颗粒尺寸约为70 nm均匀分散在被剥离成石墨片形成的微米束中.该复合材料做成的电极表现出优异的电化学综合性能,当充放电电流密度为20 A/g时,比容量高达1142 F/g;经2000次充放电循环后,容量保持率接近96%.材料优异的电化学性能归功于活性物质镍氧化合物颗粒纳米化以及石墨片层形成的微米束为离子和电子传输提供快速通道.

关键词：交流电电解 NiO-Ni(OH)_(2)/石墨片超级电容器电极复合材料