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储能用多孔碳的设计和孔隙结构精细调控新方法
成果信息
立项支持
  • 公布年份:
    2018
  • 中图分类:
    TM242
  • 关键词:
  • 成果简介:
    超级电容器是一种主要通过正负离子在多孔材料表面的吸附和脱附来实现充电和放电的储能器件。与锂电池相比,超级电容器具有充电速度快和使用寿命长等优点。但是,超级电容器较低的能量密度制约其推广应用。中国已把超级电容器关键材料的研发列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要》。如何对多孔碳的结构进行精细调控是一个富有挑战性的难题。在3项国家基金和1项教育部新世纪人才项目的资助下,该项目取得了如下主要成果。 (1)建立了高效制备石油焦基微孔碳材料的新方法为了实现对反应物进行气氛保护、高效均匀加热、温度在线测控和降低微孔碳制备成本的目的,该项目开发了微波快速加热氢氧化钾活化石油焦制备微孔碳材料的新方法。微波加热时间约为常规电炉加热时间的15%,节能效果明显。所得材料中的微孔为离子吸附提供了大量活性位,作为超级电容器用电极材料显示了高达342.8 F/g的容量,超过了商品微孔碳的容量。实现了石油化工副产物的高附加值利用。 (2)建立了高效制备生物质基中孔碳材料的新方法为了使有机电解液中直径较大的离子或离子簇被多孔碳吸附,亟需建立制备具有较大孔径的中孔碳(孔径介于2-50 nm)的新方法。该项目提出了一种以氯化锌为造孔剂通过微波高效加热生物质制备中孔碳材料的新方法。由高中孔含量(达99.0%)的中孔碳制造的超级电容器在有机电解液中的能量密度约为水系电解液中的3倍。实现了中孔碳的低成本制备和农业废弃物稻壳等的高附加值利用。 (3)建立了高效制备沥青基分级多孔碳材料的新方法为了适应不同电解液体系对多孔碳材料孔径的要求,亟需建立制备兼有微孔和中孔的分级多孔碳的新方法。 该项目首次建立了以颗粒状纳米氧化镁或氧化铁为模板耦合原位活化煤焦油沥青制备分级多孔碳材料的新方法。石墨烯作为一种薄片状的新型碳材料,是主导未来高科技产业竞争的战略材料。但是,石墨烯薄片制备成本高且易堆叠,限制了其推广应用。该项目分别提出了制备相互连接的中空多孔石墨烯球和具有褶皱的石墨烯纳米片的新方法。所得球形或褶皱的薄片不仅防止石墨烯片的堆叠,而且薄片上大量的孔为离子的吸附和传输提供大量的活性位和通道。上述材料可以满足不同电解液体系对材料孔径的要求。解决了石墨烯材料制备工艺复杂、成本高等难题。所得石墨烯材料具有高的比表面积(达3449 m2/g),超过了单层石墨烯的理论值(2630 m2/g)。由石墨烯材料制造的超级电容器在离子液体电解液中显示了高的能量密度(143 Wh/kg)。实现了石墨烯材料的低成本制备和化工副产物的高附加值利用。 该项目发表论文50余篇。8篇代表论文均发表在国际主流学术刊物上,2篇入选ESI高被引论文,2篇被选为刊物封面。8篇代表论文共被他引592次,其中SCI他引541次,单篇最高他引120次。申报人已获授权发明专利14件。
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