纳米纤维素碳基高性能电催化剂的制备及其在锌-空气电池中的应用研究
纳米材料在电催化中的应用
纳米材料在电催化中的应用电催化技术作为一种高效、可持续发展的能源转换和储存技术，正日益受到广泛关注。
在电催化过程中，纳米材料作为一种独特的材料具有显著的优势，被广泛应用于电化学催化剂、电极材料等领域。
本文将探讨纳米材料在电催化中应用的相关进展。
第一部分：纳米材料在电化学催化剂中的应用电化学催化剂是电催化反应中的关键组成部分。
传统催化剂的表面积较小，活性位点有限，限制了反应速率和效能。
而纳米材料具有高比表面积，丰富的表面活性位点，提供了更多的反应接触面积和活性位点，极大地促进了反应速率。
此外，纳米材料的尺寸效应、表面效应和量子效应等独特性质也使其在电化学催化剂中显现出其他物质所不具备的性能。
例如，由于纳米材料表面的原子结构与体内的晶体结构不同，表面的活性相对较高，有利于电化学反应的进行。
因此，将纳米材料作为电化学催化剂具有巨大的潜力。
第二部分：纳米材料在电极材料中的应用电极材料是电催化中的另一个重要组成部分。
纳米材料在电极材料中的应用主要表现在两个方面：一是纳米材料的导电性好，有利于电子的传输；二是纳米材料具有较高的电化学活性和稳定性，有利于电化学反应过程的进行。
例如，纳米金属材料具有优异的导电性和电化学特性，广泛应用于电池和超级电容器等能源储存领域。
此外，纳米复合材料的设计与制备也为电极材料的性能提升提供了新思路。
例如，纳米金属与纳米二氧化碳复合材料在电化学催化中显示出较高的催化活性和稳定性。
第三部分：纳米材料在光电化学中的应用纳米材料在光电化学中的应用也是一个备受关注的领域。
光电化学利用光能将化学能转化为电能，是一种高效的能源转换技术。
纳米材料具有较大的比表面积和光吸收率，能够提供更多的光生载流子和表面活性位点，从而增强光电化学反应的效率。
此外，纳米材料的表面修饰和功能化也可以调节纳米材料的光电性能，实现更广泛的光电化学应用。
第四部分：纳米材料在电催化中的挑战与展望虽然纳米材料在电催化中展现出了巨大的应用潜力，但仍然存在一些挑战和问题。
锌空气电池中氧反应电催化剂的表界面调控研究
锌空气电池中氧反应电催化剂的表界面调控研究一、本文概述随着全球能源需求的日益增长和环境保护压力的加大，高效、清洁、可持续的能源转换与存储技术已成为科学研究的重点。
锌空气电池，作为一种新型的高能量密度电池，因其理论能量密度高、环境友好、成本较低等优点，被认为是有望替代传统化石燃料电池的候选者之一。
然而，锌空气电池在实际应用中仍面临诸多挑战，其中氧反应电催化剂的活性和稳定性是制约其性能进一步提升的关键因素。
因此，对锌空气电池中氧反应电催化剂的表界面调控研究具有重大的理论意义和应用价值。
本文旨在探讨锌空气电池中氧反应电催化剂的表界面调控策略，以提高其催化活性和稳定性。
我们将综述锌空气电池的工作原理及氧反应电催化剂的重要性；我们将详细介绍表界面调控的基本原理和方法，包括催化剂的形貌控制、表面修饰、界面工程等；接着，我们将分析不同表界面调控策略对氧反应电催化剂性能的影响；我们将展望未来的研究方向和挑战。
通过本文的研究，我们期望为锌空气电池的性能优化提供新的思路和方法，推动其在能源存储和转换领域的应用发展。
二、锌空气电池基本原理与氧反应电催化剂锌空气电池，作为一种高效、环保的能源储存和转换装置，其基本原理主要涉及到锌的氧化反应和氧气的还原反应。
在放电过程中，锌作为负极，发生氧化反应生成锌离子和电子，电子通过外电路传递到正极，同时锌离子进入电解质溶液中。
正极则发生氧气的还原反应，氧气从空气中进入正极，接受电子并与电解质中的离子发生反应生成水或氢氧根离子。
氧反应电催化剂在锌空气电池中扮演着至关重要的角色。
催化剂能够降低氧气还原反应的活化能，提高反应速率，进而提升电池的整体性能。
理想的氧反应电催化剂应具备高活性、高稳定性、低成本和良好的导电性等特点。
目前，研究者们广泛探索了各类催化剂材料，包括贵金属催化剂、过渡金属氧化物、碳基材料等，以寻求最佳的氧反应电催化性能。
表界面调控是提高氧反应电催化剂性能的重要手段之一。
碳基电催化材料的制备及其催化性能研究
碳基电催化材料的制备及其催化性能研究一、引言在当今环境污染日益严重的背景下，寻找可替代传统石油能源的清洁能源具有重要意义。
碳基电催化材料因其良好的催化性能和可持续性而备受关注。
本文将介绍碳基电催化材料的制备方法，以及其在催化反应中的应用和性能研究。
二、碳基电催化材料的制备1. 石墨烯材料石墨烯是一种由碳原子构成的单层二维晶体结构，具有优异的导电性和催化活性。
常见的石墨烯制备方法包括化学气相沉积、机械剥离和氧化石墨烯还原等。
通过控制制备条件和添加不同的催化剂，可以获得具有特定结构和性能的石墨烯材料，用于水分解、电解还原和电化学传感等催化反应。
2. 碳纳米管材料碳纳米管是由碳原子构成的空心管状结构，具有高比表面积和良好的电导性，被广泛应用于能源转化和储存领域。
碳纳米管的制备方法包括化学气相沉积、电化学沉积和碳原子纳米薄膜剥离等。
通过调控碳纳米管的结构和尺寸，可以改善其催化活性和选择性，实现高效能源转换。
三、碳基电催化材料的催化性能研究1. 氧还原反应氧还原反应是一种重要的催化反应，旨在高效利用氧气和提高能源转化效率。
碳基电催化材料作为氧还原反应的催化剂具有重要的应用前景。
石墨烯和碳纳米管等材料在氧还原反应中表现出优异的催化性能，显示出较高的电子转移速率和反应活性，可作为燃料电池和超级电容器等能源存储和转换器件的重要组成部分。
2. 水电解制氢反应水电解制氢是一种可持续性高的制氢方法，其关键在于寻找具有高催化活性和稳定性的催化剂。
碳基电催化材料由于其良好的导电性和化学稳定性，被广泛研究用于水分解反应。
通过调控碳基电催化材料的结构和表面官能团，可以提高其催化活性和稳定性，实现高效制氢过程。
3. 二氧化碳还原反应二氧化碳还原反应是将二氧化碳转化为高值化学品或燃料的过程，具有重要的环境和能源应用价值。
碳基电催化材料在二氧化碳还原反应中展示出了良好的活性和选择性。
通过调控碳基电催化材料的表面结构和催化剂负载方式，可以提高二氧化碳的还原效率，实现碳资源的有效转化和利用。
碳基非金属催化剂研究进展
碳基非金属催化剂研究进展金属和金属氧化物作为催化剂被广泛应用于材料生产和很多重要工业生产。
但贵金属催化剂如Pt成本高，选择性低、耐久性差、易发生气体中毒，对环境造成了不利影响。
寻找能够减少或替代贵金属引起了关注。
在2009年，发现一种地球上丰富存在的碳材料被认为是一种高效、廉价、非金属可替代燃料电池中铂的新型催化剂。
在这个快速发展的领域里，这篇综述提供了一个重要的观点，包括有效碳基非金属催化剂的应用，特别强调杂原子掺杂碳纳米管和石墨烯对于清洁能源转换和储存，环境保护和重要的工业生产，并概述了在这领域的关键挑战和未来的机会。
标签：碳材料，非金属催化剂1.引言氧还原反应（ORR）、吸氧反应（OER）及析氢反应（HER）三个看似简单的反应确是清洁、可再生能源技术的关键，如燃料电池，电池和水分解过程。
然而，催化剂需要促进HER对于氢燃料的生产，ORR在燃料电池中的能量转换和OER对金属-空气电池的储能。
金属基催化剂特别是贵金属（铂、铱和钯）或金属氧化物，通常用于这些反应中。
然而，金属基催化剂有几个显著的缺陷，包括低选择度、耐久性差，易气体中毒，与对环境的消极影响。
此外，贵金属的高成本阻碍了可再生能源技术大规模的商业应用[1]。
2.碳基非金属作为ORR催化剂阴极上的ORR是限制燃料电池能量效率的关键步骤。
这种反应需要大量的铂催化剂，因此占燃料电池总成本的很大一部分。
铂纳米粒子长期以来一直被认为是ORR最佳的催化剂，但是铂的高成本和稀缺性，阻碍了它的使用实现燃料电池的商业应用。
在2009年，发现氮掺杂的垂直排列的碳纳米管（V A-CNTs）是优于碱性介質中铂对ORR的催化性能并且没有CO的失活和燃料渡越效应。
氮掺杂碳纳米管对于ORR的催化机理基于密度泛函B3LYP研究理论（DFT）并结合实验数据利用量子力学计算的。
计算发现掺杂诱导电荷重情况促进了O2和电子转移的化学吸附。
随后，氮掺杂石墨烯也被认为是一种有效的无金属催化剂。
电化学电催化材料的制备和应用
电化学电催化材料的制备和应用电化学电催化材料是指在电化学反应中起催化作用的材料，广泛应用于燃料电池、金属空气电池、电解水制氢和二氧化碳还原等领域。
本文将介绍电化学电催化材料的制备方法和应用。
一、制备方法1. 贵金属基电催化材料贵金属基电催化材料具有较高的催化活性和稳定性，包括铂、钯、铱、钌等材料。
制备方法一般采用化学还原法、晶体控制生长法及溶胶凝胶法等方法。
其中，化学还原法是最常用的制备方法，通过还原酸性溶液中的金属离子，制备出纳米级别的贵金属催化剂。
2. 金属氧化物电催化材料金属氧化物具有较好的催化性能和稳定性，广泛应用于电催化反应中。
制备方法包括溶胶凝胶法、水热法、过渡金属离子掺杂法等。
其中，溶胶凝胶法制备的金属氧化物催化剂具有高度的控制性和可重复性，能够精确控制材料的形貌和尺寸。
3. 碳基电催化材料碳基材料包括碳纳米管、石墨烯、多孔碳、碳黑等。
制备方法主要包括化学气相沉积、溶胶凝胶法、热解法等。
碳纳米管和石墨烯等具有高比表面积和良好的导电性能，是电催化材料中的热门研究方向之一。
二、应用1. 燃料电池燃料电池是将燃料和氧气氧化反应产生电能的装置。
贵金属基催化剂被广泛应用于燃料电池中的正极（阴极），通常以铂为基础，与其它过渡金属杂化制备出新型的催化剂。
此外，新型碳基催化剂也是燃料电池中的研究热点之一。
2. 电解水制氢电解水制氢是指利用电解方法将水分解成氢气和氧气的过程。
金属氧化物催化剂在电解水制氢中发挥重要作用，能够提高氢气的产量和效率。
研究表明，钨酸铜催化剂具有较好的电解水制氢活性和稳定性，是一种有潜力的电解水制氢催化剂。
3. 二氧化碳还原二氧化碳还原是指利用电化学方法将二氧化碳还原成烃类等有机物的过程。
此过程能够将大量废弃的二氧化碳转化成有机物，具有环保和可持续性的特点。
碳基催化剂在二氧化碳还原中发挥着重要作用，石墨烯、碳纳米管等碳基材料都具有良好的二氧化碳还原活性。
结语电化学电催化材料是未来能源和环保领域的重要研究方向之一。
一种锌空气电池用orr-oer双功能电催化剂及其制备方法
orr-oer双功能电催化剂是一种能够同时促进ORR和OER反应的材料，通过提高反应速率和降低电池的过电位，从而提高锌空气电池的性能。该电催化剂能够有效地降低氧气还原和析氧过程的中间过程能量，提高反应速率和电荷转移效率。orr-oer双功能电催化剂还具有良好的稳定性和耐久性，能够长时间稳定工作，为电池提供持久的动力。
1. 材料选择：选择一种具有良好导电性和稳定性的材料作为载体，如碳纳米管、氧化石墨烯等。
2. 活性中心修饰：在载体表面修饰一层活性中心，常用的活性中心有金属氧化物、过渡金属等。可采用溶胶-凝胶法、沉积-还原法等方法将活性中心负载在载体表面。
3. 结构调控：通过控制活性中心的结构和组成，调节其催化性能。可采用沉积-溶出法、调控反应条件等方法实现结构调控。
orr-oer双功能电催化剂是一种具有高催化活性和稳定性的材料，在锌空气电池中可以高效催化氧还原反应和氧析出反应，提高电池的能量转化效率和循环稳定性。与传统的单功能电催化剂相比，orr-oer双功能电催化剂具有更广泛的应用前景和更低的成本，是锌空气电池领域的一项重要突破。
制备orr-oer双功能电催化剂的方法主要包括物理法、化学法和生物法。物理法是通过物理方法将不同催化剂材料混合或复合，形成具有双功能的电催化剂。化学法是通过化学合成方法在某种材料表面或结构上修饰功能基团，使其具有orr-oer双功能。生物法是通过生物体或生物酶合成生物可降解的材料，具有双功能的电催化剂。
纤维素基碳材料及其在超级电容器中的应用进展
文章编号:1001-9731(2021)02-02078-07纤维素基碳材料及其在超级电容器中的应用进展*李丹妮1,白秋红1,舒羽2,白林1,陈邦1,李聪1,申烨华1,宇山浩1,3(1.西北大学化学与材料科学学院合成与天然功能分子教育部重点实验室,西安710127;2.西北大学食品科学与工程学院,西安710069;3.大阪大学工学研究科,日本大阪,565-0871)摘要:能源枯竭和环境污染问题日益严重,新型可持续能源的开发迫在眉睫㊂超级电容器作为电化学能量存储设备,具有容量大㊁功率密度高㊁循环寿命长等优势,逐渐成为研究热点㊂纤维素是自然界中广泛存在的一种天然高分子化合物,具有绿色㊁环保㊁可持续㊁成本低的特点,制备的碳材料有独特的孔结构和大的比表面积,使其在超级电容器方面的应用成为一个主要研究方向㊂通过对碳材料的孔结构调控和表面改性,或与电容较高的其他材料进行复合,可以明显提高碳材料比电容和能量密度,使超级电容器电化学性能提高㊂本文总结了近年来国内外纤维素基碳材料制备方法㊁性能调控及其在超级电容器方面的应用进展㊂最后,对纤维素基碳材料未来的研究方向和发展进行了展望㊂关键词:纤维素;碳材料;复合材料;性能调控;超级电容器中图分类号: O646文献标识码:A D O I:10.3969/j.i s s n.1001-9731.2021.02.0100引言随着人口增长和人类社会的发展,化石能源例如煤炭㊁石油等不可再生能源的过度消耗及其所造成的环境污染问题,已引发了一系列严重的社会危机㊂开发新能源或新型储能能力强㊁可再生的储能系统成为当今能源领域重要的研究方向[1]㊂超级电容器作为电化学储能设备,凭借功率密度高㊁充放电快㊁循环寿命长㊁成本低㊁无污染等优势吸引了人们广泛关注[2],其主要由电极材料㊁电解质㊁集流体和隔膜组成[3]㊂超级电容器按照储能机理主要分为两类:双电层电容器和法拉第赝电容器[4],前者主要依靠电极表面离子吸附储存电荷,而赝电容器通过电极材料和电解液之间快速可逆的氧化还原反应实现电荷储存㊂在各部分组件中,电极直接影响其电荷储存能力,故电极性能对超级电容器性能至关重要㊂目前超级电容器电极材料主要有碳材料㊁金属氧化物和导电聚合物等[5]㊂碳材料由于其孔结构可控㊁导电率高㊁比表面积大㊁理化性能稳定等特点,成为超级电容器理想的电极材料[6]㊂1纤维素碳材料制备方法纤维素是自然界中含量最丰富的天然高分子聚合物之一,具有可再生㊁无毒㊁可降解的特性[7],并且占植物界碳含量50%以上,有天然的独特结构和层次孔隙,是制备碳材料的优良原料㊂纤维素来源主要包括两类,以木材和农业废弃物例如果壳㊁秸秆㊁果皮㊁甘蔗渣等为代表的天然纤维素和细菌纤维素㊂纤维素碳材料由于其比表面积大和表面多孔等独特性质被广泛用于超级电容器电极材料[8]㊂纤维素碳材料的制备方法主要有直接碳化法㊁活化法㊁水热法㊁模板法㊁微波辅助法等㊂直接碳化法所需反应温度高,反应时间长,得到的多孔碳材料孔隙度较低,近年来已经不太单独使用,本文对其不再赘述㊂1.1活化法1.1.1物理活化法物理活化法,或称热活化,高温下以水蒸气㊁C O2等为活化剂,碳表面活性位点与通入的气体发生反应,将碳表面蚀刻的同时,达到开孔造孔效果㊂J u n g等[9]采用棕榈壳㊁核桃壳和腰果壳为原料, C O2为活化气体,通过物理法制备活性炭,每种生物质最终所得活性炭的表面积为700~810m2/g,且所有活性炭均具有微孔性质㊂1.1.2化学活化法化学活化法是用化学试剂对碳材料进行侵蚀,形成具有多孔和较大比表面积的生物质碳材料,所需炭化温度一般在500~800ħ之间,相比物理活化法低㊂一般常用的化学活化法试剂包括K O H㊁Z n C l2㊁H3P O4等㊂870202021年第2期(52)卷*基金项目:国家重点研发计划资助项目(2019Y F D1002400);陕西省重点研发计划国际科技合作一般项目资助项目(2019KW-041);国家自然科学基金资助项目(21975203);榆林市科技计划资助项目(2016-15-3)收到初稿日期:2020-08-07收到修改稿日期:2020-12-23通讯作者:舒羽,E-m a i l:y_s h u@n w u.e d u.c n;申烨华,E-m a i l:y h s h e n@n w u.e d u.c n作者简介:李丹妮(1996 ),女,陕西宝鸡人,硕士研究生,师承申烨华教授,从事生物质碳材料的制备及储能应用研究㊂C a i等[10]采用腰果壳为原料,先预碳化后与K O H 以不同质量比混合活化加热,得到生物质碳材料㊂实验显示碱碳质量比为4ʒ1时碳材料比表面积最大,为2742m2/g,总孔体积为1528c m3/g㊂根据两种活化方法的原理和特点,表1列出了物理活化法和化学活化法优缺点㊂表1物理活化法和化学活化法优缺点T a b l e1P h y s i c a la c t i v a t i o na n dc h e m i c a la c t i v a t i o nh a v e a d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s方法物理活化法化学活化法优点不使用化学试剂,对环境友好性较高制备的碳材料孔隙率高,可通过改变工艺参数调整孔径大小缺点活化时间长,温度高,活化剂量大,耗能高,经济投入大引入大量化学试剂,腐蚀设备,污染环境,所得碳材料易有化学药品残留,后续处理费时费力1.2水热法水热法是将含碳物质置于水热反应釜中,以水为反应溶剂,高温高压下一种脱水脱羧的加速煤化过程㊂相对于物理活化法和化学活化法,水热法对实验要求低,更环保㊂Y e等[11]以锦葵坚果壳为原料,结合水热法和K O H活化得到碳材料㊂水热处理前碳材料比表面积仅28.3m2/g,水热处理后经K O H活化的碳材料比表面积达到1842m2/g,其中微孔率为88%㊂水热法与传统热解技术相比,碳转化率高,反应条件温和,其脱水脱羧过程为放热过程,为反应提供了部分热能,因此耗能低㊂并且处理设备简单,操作方便,是有广阔发展前景的生物质能源转换技术[12]㊂1.3模板法模板法是一种以多孔材料为模板,以含碳的生物质小分子为碳源,通过一定的方法将碳源注入模板的孔道中,使其聚合㊁固化,然后通过高温碳化形成碳和模板的混合体,最后除去模板而得到生物质碳的方法[13]㊂朱文均等[14]采用生物模板,将柚子皮既做碳源又做模板,与高锰酸钾通过化学浸渍和煅烧处理制成氧化锰/碳复合材料㊂柚子皮模板原位转变为碳基体,同时M n O颗粒均匀负载于碳基体形成M n O/C复合材料,有效缩短电子和离子的传输路径,促进电化学反应进行㊂在0.2A/g电流密度下循环100次后可逆容量依旧保持在664m A h/g,在3A/g大电流密度下,可逆容量仍有441m A h/g㊂1.4微波辅助法微波辅助法是近年来制备活性炭的新方法,相对于传统的加热加压方法,其具有高效㊁非接触㊁快速㊁均匀㊁操作简便等优点[15-16]㊂D u rán-J i mén e z等[17]使用微波技术研究不同输入功率和反应时间下山核桃果壳的热解,将所得碳材料和直接碳化法的碳材料对比,表明微波加热可以得到与直接碳化法相似结构参数的微孔碳材料,且微波加热处理时间仅3m i n(常规加热则需要268m i n)㊂目前,微波辅助作为活性炭制备的新技术,虽不及传统方法使用广泛,但其优势特点不容忽略,未来在碳材料制备方面将会有更广泛的应用㊂2纤维素基碳材料性能调控及其在超级电容器中的应用在各种超级电容器电极材料中,碳基材料导电性好㊁比表面积大㊁化学惰性,应用广泛[18]㊂碳材料的储能机理主要基于电荷在电极表面的储存,研究发现通过对碳材料的孔结构调控和表面改性,或与电容较高的材料复合,可提高碳材料比电容和能量密度,使超级电容器电化学性能提高并且有更高效和广泛的应用㊂2.1孔结构调控现已有各种方法来调控生物质碳材料的孔大小和形状㊂如加入不同种类添加剂,或改变碳材料制备方法等来改变孔的形状㊁大小或孔的分布状态,从而提高碳材料的性能㊂O k o n k w o等[19]以富含氮的螺旋藻提取物为添加剂,K O H为活化剂,将蓖麻壳粉与两者混合浸渍㊂高温加热后形成具有独特的互连网络结构氮掺杂微介孔结构材料(C S S K),比表面积为1527m2/g㊂螺旋藻提取物添加剂和K O H的共同作用控制蓖麻壳粉的碳化过程,形成了微介孔结构㊂除加入添加剂外,一些其他技术手段也可以起到调控碳材料孔结构的作用㊂Z h a n g等[20]选用落叶松木屑为碳源,采用生物质液化技术,通过硅源原位掺杂法制备碳材料㊂通过掺杂模板很好地调节碳材料形态和多孔结构,最佳实验条件下制得的材料显示出丰富的孔结构,具有较大的孔径分布(1~10n m)㊂2.2表面改性除了孔结构调控,碳材料表面官能团的引入以及材料表面基团的改变,能改变材料的亲水性和润湿性,增加活性位点,改善碳材料的电化学性能㊂表面改性主要通过杂原子掺杂实现碳材料性能调控,常见的杂原子掺杂包括氮㊁氧㊁磷㊁硫等㊂S h a n g等[21]采用鱼腥草为碳源,鱼腥草预碳化得到活性炭,将活性炭与K O H和三聚氰胺以不同质量比混合煅烧得到3D分级多孔氮掺杂纳米结构碳(N-H N C)材料,其比表面积为2090m2/g,氮含量最高可达到8.66%(质量分数)㊂海藻酸钠是氧含量丰富的有机物㊂白秋红等[22]采用细菌纤维素为碳源,海藻酸钠为氧源,将其和海藻酸钠复合后经K O H浸渍碳化活化,得到海藻酸钠/细菌纤维素多孔复合碳材料㊂由图1a~c可看出,其具有3D连续网络结构,且树枝骨架中包含微米级别孔㊂在5A/g电流密度下循环10000次后电容仍有93.8%的保持率(图1d所示)㊂97020李丹妮等:纤维素基碳材料及其在超级电容器中的应用进展图1多孔复合碳材料在不同放大倍数下的S E M图(a~c);10000次循环后电容保持率(5A/g电流密度)(插图显示充放电曲线)(d)[22]F i g1S E Mi m a g e s o f p o r o u s c o m p o s i t em a t e r i a l s a t d i f f e r e n tm a g n i f i c a t i o n(a-c);C a p a c i t a n c e r e t e n t i o n a f t e r10,000c y c l e s(5A/g c u r r e n t d e n s i t y)(i n s e t s h o w s c h a r g e-d i s c h a r g e c u r v e)(d)[22]此外,羧甲基纤维素也是氧含量较高的有机物㊂舒羽等[23]以羧甲基纤维素㊁细菌纤维素和柠檬酸为碳源和氧源,通过一步碳化活化法制备了分级结构复合多孔碳材料(H P C)㊂得到的复合多孔碳材料具有2490m2/g 的高比表面积和7.3%的氧含量㊂图2所示为不同温度条件下H P C的氮气吸附-解吸等温线和孔径分布曲线,等温线呈现I V型结构,说明H P C中含有介孔㊂此外,宽的孔径分布(0~90n m)说明材料中含有微孔,介孔和大孔㊂在电流密度0.5A/g下比电容达到350F/g,并且10000次充放电循环后,仍有96%的电容保持率㊂图2不同温度下H P C的氮气吸附-解吸等温线(a)和孔径分布曲线(b)[23]F i g2N i t r o g e n a d s o r p t i o n-d e s o r p t i o n i s o t h e r m(a)a n d p o r e d i a m e t e r d i s t r i b u t i o n c u r v e s(b)o fH P Ca t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s[23]聚丙烯腈(P A N)是一种常用的富氮聚合物,舒羽等[24]选用杏壳为碳源,聚丙烯腈为氮源,采用热致相分离法构筑了氮掺杂杏壳/聚丙烯腈多孔复合碳材料(N D P M C)㊂由图3a~d扫描电镜图可知,N D P M C具有3D多孔结构㊂在1A/g电流密度下,比电容达到442F/g,在10A/g时,电容仍然能保留81%,具有高的比电容和优异的倍率性能㊂这种高的比电容主要是由于碳材料含有高的吡咯氮(~44.6%(原子分数))和吡啶氮(~37. 8%(原子分数)),并且在20A/g电流密度下恒电流充放电循环5000次后,电容保持率为98%,由图3e所示㊂080202021年第2期(52)卷图3 不同的杏壳/聚丙烯腈质量比下制备碳材料S E M 图,5w t %(a ),10w t %(b ),15w t %(c ),30w t %(d );N D -P M C 在20A /g 电流密度下5000次循环的电容保持率(插图显示前5次和后5次的循环)(e )[24]F i g 3S E Mi m a g e s o fA S A C /P A Nc a r b o n m a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n tw e i gh t r a t i o s ,5w t %(a ),10w t %(b ),15w t %(c ),30w t %(d );C a p a c i t a n c e r e t e n t i o nr a t eo fN D P M Cf o r 5000c y c l e s a t 20A /g c u r r e n td e n s i t y(i n s e t s h o w s t h e f i r s t 5a n d l a s t 5c yc l e s )(e )[24]2.3 纤维素碳基复合材料纤维素碳基复合材料是将纤维素基碳材料和其他材料,如石墨烯和碳纳米管㊁导电聚合物以及过渡金属氧化物等复合,得到的复合材料不仅具备了生物质碳材料的多孔率和高比表面积,同时具备其他材料优良的电化学性能,可以有效提高超级电容器整体性能㊂2.3.1 碳/碳复合材料碳/碳复合材料是指纤维素基碳材料和其他碳材料复合,例如石墨烯㊁碳纳米管等㊂已有很多将石墨烯用于复合材料的研究,石墨烯的添加可以加快离子的扩散速度,并且有效降低了离子传送的路程[25,26]㊂刘雨璇等[27]将椰壳通过水蒸气活化法制备出活性炭,采用水热法与石墨烯通过高温水热复合,制备出的复合材料应用于超级电容器,其中比电容为186F /g,而单一的活性炭比电容仅为85F /g,表明复合材料有更良好的电化学性能㊂纤维素碳材料大的比表面积和碳纳米管的良好传导作用结合,可以增加复合材料的比电容和能量密度,形成的复合材料也具有很好的电化学性能㊂P a l i s o c等[28]采用Z n C l 2为活化剂,辣木果壳为碳源,通过化学活化法制得活性炭,将得到的活性炭和多壁碳纳米管(MW C N T )混合制成超级电容器电极㊂MW C N T 良好的导电性和活性炭大的比表面积协同作用,增大了超级电容器的比电容和能量密度㊂2.3.2 碳/导电聚合物复合材料导电聚合物是具有共轭π键的聚合物通过掺杂形成的一类特殊高分子材料,主要有聚苯胺(P A N I )㊁聚吡咯(P P y)㊁聚噻吩(P T h )等,其中聚苯胺和聚吡咯在超级电容器中应用最广泛[29]㊂熊前程等[30]以香烟滤嘴(主要成分为醋酸纤维素)为原料,采用原位聚合法与聚吡咯复合碳化后制备出复合碳材料㊂扫描电镜图如图4c 所示,可以看到聚吡咯沉积在纤维上,复合材料表面粗糙,有利于化学活化过程活化剂的渗透㊂得到的复合碳材料比表面积为图4 香烟滤嘴(a ),聚吡咯(b )和香烟滤嘴/聚吡咯复合材料(c ㊁d );香烟滤嘴/聚吡咯基复碳合材料比电容在5A/g 时随循环次数的变化(e )[30]F i g 4S E Mi m a g e s o fU C F (a ),P P y (b ),a n dU C F /P P y c o m p o s i t e (ca n dd );v a r i a t i o no f s p e c i f i c c a pa c i t a n c e w i t hc y c l en u mb e r o fc -U C F /P P y a t 5A /g(e )[30]18020李丹妮等:纤维素基碳材料及其在超级电容器中的应用进展3420m2/g,在1A/g的电流密度下比电容达到263F/g㊂5A/g电流密度下循环5000次后电容保持率为90%,循环稳定性如图4e所示㊂2.3.3碳/过渡金属氧化物复合材料过渡金属氧化物由于快速可逆的法拉第反应,被认为是高能量密度超级电容器的理想电极之一㊂但过渡金属氧化物受其电化学反应的有限活性位点的限制,并且在载体材料上没有很好的分散或负载时,团聚会引起更高的接触电阻等副作用,将对其能量存储性能产生负面影响[31]㊂研究表明,与高比表面积的生物质碳基材料复合,可以有效防止过渡金属氧化堆积和团聚,使其在碳材料表面均匀分散㊂Z h o u等[32]将油茶壳通过化学活化法制成生物质碳,在电流密度0.5A/g时电容值仅为146F/g㊂在生物质碳表面涂覆一层M n O2薄层,M n O2/生物质碳的电容显著提高,电流密度0.5A/g时电容为1126F/g㊂经过3000次循环,电容保持约97%㊂S i n a n等[33]同时采用水热法和模板法,将F e S O4㊁榛子壳和醋酸镁混合进行水热反应,醋酸镁形成氧化镁充当模板,反应后用稀乙酸除去模板㊂碳化后所得的磁铁矿-碳纳米复合粉末F e3O4/C㊂复合材料比表面积为344m2/g,在电流密度1A/g时,1m o l/L N a2S O4电解质中比电容为136F/g㊂能量和功率密度分别为27.2W h/k g和705.5W/k g㊂F e3O4/C纳米复合材料还显示出稳定的循环性能,在2A/g下循环充放电1000次,电容没有衰减㊂3结语纤维素在自然界中有丰富的储量并且绿色环保,以其为原料制备的生物质碳材料具有丰富的孔洞结构和大的比表面积,是超级电容器理想的电极材料㊂纤维素基生物质碳材料可以通过表面改性及与其他材料复合等方式,使其同时具备双电层电容和法拉第赝电容,显著增强超级电容器整体的电化学性能㊂但是,生物质碳材料受其先天结构影响,孔结构存在一定的局限性,作为超级电容器电极材料,在高电流密度下充放电时,电子传输速率慢,倍率性能较差㊂因此,如何更好的利用生物质自身形貌结构优势并且调控碳材料从而使其电化学性能进一步提高仍需要继续研究㊂不可否认的是,纤维素作为一种自然界最丰富的可持续绿色能源,未来将在超级电容器,乃至其他能源领域中有更广阔的应用和发展㊂既解决能源和环境问题的同时,又避免了资源的浪费,实现了废弃资源的高值转换与利用,对推动我国的经济发展具有积极作用㊂参考文献:[1] B i ZH,K o n g Q Q,C a oYF,e t a l.B i o m a s s-d e r i v e d p o r o u sc a r b o n m a t e r i a l s w i t hd i f fe r e n td i m e n s i o n sf o rs u p e r c a-p a c i t o re l e c t r o d e s:a r e v i e w[J].J o u r n a l o f M a t e r i a l sC h e m i s t r y A,2019,7(27):16028-16045.[2] L i uS M,L i a n g Y R,Z h o u W,e t a l.L a r g e-s c a l e s y n t h e s i so f p o r o u s c a r b o n v i a o n e-s t e p C u C l2a c t i v a t i o n o f r a p e p o l-l 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og e n-d o p e dr e d u c e dg r a p h e n e o x i d eh y b r i da sa ne x c e l l e n t c a r b o n a c e o u ss c a f-f o l d t o l o a d M n O2n a n o w a l l(P A N In a n o r o d)a sb i f u n c-t i o n a l m a t e r i a lf o rh i g h-p e r f o r m a n c es u p e r c a p a c i t o ra n d o x y g e nr e d u c t i o nr e a c t i o nc a t a l y s t[J].J o u r n a lo fP o w e r S o u r c e s,2020,447:227387.[6] Z h a n g Y,L i uL,Z h a n g PX,e t a l.U l t r a-h i g hs u r f a c e a r e aa n dn i t r o g e n-r i c h p o r o u sc a rb o n s p r e p a r e db y a l o w-t e m-p e r a t u r e a c t i v a t i o nm e t h o dw i t hs u p e r i o r g a s s e l e c t i v e a d-s o r p t i o n a n d o u t s t a n d i n g s u p e r c a p a c i t a n c e p e r f o r m a n c e[J].C h e m i c a l E n g i n e e r i n g J o u r n a l,2019,355:309-319.[7] Z h a n g XF,L iH,Z h a n g W,e t a l.I n-s i t u g r o w t ho f p o l y-p y r r o l eo n t ob a m b o oc e l l u l o s e-d e r i v e dc o m p r e s s 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e p l e t i o na n de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o nh a v eb e c o m e i n c r e a s i n g l y s e r i o u s,a n d t h ed e v e l o p m e n t o f n e ws u s t a i n a b l e e n e r g y s o u r c e s a n d/o r n o v e l e n e r g y s t o r a g e a n d c o n v e r s i o n s y s t e mi s i mm i-n e n t f o r u s.A sa ne l e c t r o c h e m i c a l e n e r g y s t o r a g ed e v i c e,s u p e r c a p a c i t o r sh a v em a n y a d v a n t a g e s,s u c ha s l a r g e c a p a c i t y,h i g h p o w e r d e n s i t y,a n d l o n g l i f e,f a s t c h a r g i n g a n d d i s c h a r g i n g,a n dh a v e g r a d u a l l y b e c o m e a r e s e a r c h f o c u s.C e l l u l o s e i sak i n do fn a t u r a l p o l y m e rc o m p o u n d w i d e l y e x i s t i n g i nn a t u r e,i n c l u d i n g c e l l u l o s ed e r i v e d f r o m p l a n t s a n db a c t e r i a l c e l l u l o s e.I th a s t h e c h a r a c t e r i s t i c so f g r e e n,r i c h,e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y,s u s t a i n-a b l e a n d l o wc o s t,a n dc e l l u l o s eh a v eb e e nc o n s i d e r e da s i m p o r t a n t c a n d i d a t e f o r p r e p a r a t i o no f p o r o u s c a r b o n d u e t ou n i q u e a d v a n t a g e s a n dh i g h c a r b o n c o n t e n t.B e c a u s e o f i t s u n i q u e p o r e s t r u c t u r e a n d l a r g e s p e c i f i c s u r f a c e a r e a,t h e a p p l i c a t i o no f c e l l u l o s e-b a s e dc a r b o n m a t e r i a l sa n dt h e i rc o m p o s i t e s i ns u p e r c a p a c i t o r sh a sb e c o m ea m a j o r r e s e a r c hm a i nd i r e c t i o n.T h e s p e c i f i c c a p a c i t a n c e a n d e n e r g y d e n s i t y o f t h e c a r b o nm a t e r i a l c a nb e s i g n i f i-c a n t l y i m p r o v e d b y a d j u s t i n g t h e p o r e s t r u c t u r e a n d s u r f a c em o d i f i c a t i o n o f t h e c a r b o nm a t e r i a l,o r b y c o m b i n i n g c a r b o nm a t e r i a lw i t ho t h e rm a t e r i a 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K e y w o r d s:c e l l u l o s e;c a r b o nm a t e r i a l;c o m p o s i t em a t e r i a l;p e r f o r m a n c e c o n t r o l;s u p e r c a p a c i t o r 480202021年第2期(52)卷。
二次锌-空气电池正极材料的可控制备与催化机理研究
二次锌-空气电池正极材料的可控制备与催化机理研究二次锌-空气电池是一种新型的次质量储能技术，具有高能量密度、低成本、环保等优点，被广泛研究和应用。
其中，正极材料的选择和制备是决定电池性能的关键因素之一。
本文将探讨二次锌-空气电池正极材料的可控制备与催化机理。
首先，正极材料的选择对电池性能至关重要。
传统的二次锌-空气电池正极材料是氧气还原反应（O2 + 4e- + 2H2O → 4OH-）的催化剂。
目前研究表明，半导体材料、金属催化剂和碳基催化剂等可作为催化剂应用于二次锌-空气电池正极材料中。
半导体材料具有高效的电子传导性和催化性能，但在实际应用中存在固体电解质溶液耦合的问题。
金属催化剂具有较高的催化活性，但容易发生金属溶解。
碳基材料具有良好的导电性和催化性能，且较为稳定，因此被广泛应用于二次锌-空气电池正极材料的制备中。
其次，正极材料的制备方法也对电池性能有着重要影响。
常用的制备方法包括溶胶凝胶法、电沉积法和电化学沉积法等。
溶胶凝胶法具有简单、低成本、易于大规模制备的优点，但存在制备时间长、杂质含量高的缺点。
电沉积法和电化学沉积法能够在较短时间内制备出高纯度的正极材料，但对仪器设备和操作技术要求较高。
因此，需要根据具体需求选择合适的制备方法。
然后，正极材料的催化机理也是研究的重要内容之一。
氧气还原反应是二次锌-空气电池中的关键反应，其催化机理涉及到电子传递和质子转移等过程。
常见的催化机理有双步反应机理、四电子传递机理和两电子传递机理等。
双步反应机理是指氧分子先吸附到催化剂表面，然后发生电子转移和质子转移反应。
四电子传递机理是指氧分子直接接受四个电子和四个质子，形成氢氧根离子。
两电子传递机理是指氧分子直接接受两个电子和两个质子，形成过氧根离子。
通过深入研究催化机理，可以为制备高效的正极材料提供理论指导。
综上所述，二次锌-空气电池正极材料的可控制备与催化机理研究是提高二次锌-空气电池性能的重要内容。
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纳米纤维素碳基高性能电催化剂的制备及其在锌-空气电
池中的应用研究
纳米纤维素碳基高性能电催化剂的制备及其在锌-空气电
池中的应用研究
摘要：
锌-空气电池因其高能量密度、低成本和环境友好等优点而备
受关注。
然而，由于锌氧化物在电化学过程中产生的高极化限制了其实际应用。
为了解决这个问题，本研究以纳米纤维素为前驱体，通过化学气相沉积法制备出纳米纤维素碳基高性能电催化剂，并研究了其在锌-空气电池中的应用。
1. 引言
锌-空气电池是一种重要的高能量密度和低成本电池。
然而，
密封电池的长期封闭性会导致锌氧化物在电化学过程中产生的极化，进而限制了其实际应用。
因此，制备高性能电催化剂对于克服这个问题至关重要。
2. 实验方法
这里使用纳米纤维素作为前驱体，通过化学气相沉积法（CVD）在针状氧化铝基底上制备纳米纤维素碳基电催化剂。
CVD方法
利用铁（Fe）和锌（Zn）的混合气体作为催化剂的前驱体，通过高温炭化纳米纤维素来制备碳基电催化剂。
3. 结果与讨论
通过SEM和TEM观察电催化剂的形貌，发现制备得到的碳基电催化剂具有均匀且高度有序的纳米纤维素结构。
在电化学测试中，纳米纤维素碳基电催化剂表现出优异的电催化性能，其催化活性显著提高。
在锌-空气电池中的测试结果表明，纳米纤
维素碳基电催化剂能够有效降低锌氧化物的极化，提高电池的
性能。
4. 结论
本研究成功制备了纳米纤维素碳基高性能电催化剂，并验证其在锌-空气电池中的应用潜力。
纳米纤维素碳基电催化剂具有
均匀且高度有序的纳米纤维素结构，表现出优异的电催化性能。
在锌-空气电池中，纳米纤维素碳基电催化剂能够有效降低锌
氧化物的极化，提高电池的性能。
这项研究为开发高性能锌-
空气电池提供了有力支持，具有重要的应用价值。
关键词：纳米纤维素；锌-空气电池；电催化剂；化学气
相沉积法；性能优
本研究成功制备了纳米纤维素碳基高性能电催化剂，并验证其在锌-空气电池中的应用潜力。
通过化学气相沉积法制备
的碳基电催化剂具有均匀且高度有序的纳米纤维素结构，并在电化学测试中表现出优异的催化性能。
在锌-空气电池中的测
试结果显示，纳米纤维素碳基电催化剂能够有效降低锌氧化物的极化，提高电池的性能。
这项研究为开发高性能锌-空气电
池提供了有力支持，具有重要的应用价值。