植物茎髓衍生的二维多孔碳材料的制备及其应用

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化石能源的过度开采和使用所造成的能源危机和环境污染问题已严重阻碍了人类社会的可持续发展,开发绿色、可持续的新能源日趋重要。燃料电池(FCs)和超级电容器(SCs)作为新型的能量转换和储存装置,因具有绿色和可持续等优点而备受关注。所涉及的重要电化学反应,在很大程度上决定了一个电化学转换和储能装置的效率。因此,研究和开发能加速电化学反应速率的高性能新型电极材料至关重要。生物质衍生的多孔碳材料因具有较高的比表面积、易调的孔隙结构、优异的导电性等特点,被作为电极材料广泛地应用于能量转换和储存领域。本文以泡沫状的植物茎髓为前驱体,采用简单有效的方法制备了一系列二维(2D)多孔碳材料,并考察了其在能量转换和储存领域中的应用,主要内容如下:(1)小通草衍生的二维多孔碳材料的制备及其电化学性能研究。以小通草为前驱体,柠檬酸铁铵为铁源和氮源,采用浸泡法制备了MS与柠檬酸铁铵的复合材料(MS-Fe),再经一步碳化法制备了Fe/N-共掺杂2D多孔碳材料。在最佳条件下制备的多孔碳材料(MS-Fe-900)具有2D片状结构,还具有高比表面积和孔隙率,及有效的氮掺杂。MS-Fe-900作为超级电容器电极材料,在6 M KOH电解液中表现出较高的比电容,并具有优异的倍率性能和循环稳定性。作为氧还原电催化剂,MS-Fe-900具有优异的电催化性能,在碱性介质中其起始电位为968 m V(vs.RHE),半波电位为830 m V(vs.RHE),且抗甲醇和CO性能均优于Pt/C。(2)葵髓衍生的二维多孔碳材料的制备及其超级电容器性能研究。以葵髓(SPHA)为前驱体,先预碳化,再与活化剂(KOH)混合,经过二次碳化后得到2D多孔碳材料。在最佳条件下制备的多孔碳材料(SPHAC-700-2)具有2D片状结构,兼具大比表面积和高孔容。在三电极体系中,SPHAC-700-2展现出了较高的比电容和优良的导电性。在二电极体系中,SPHAC-700-2也表现出了较高的倍率性能、以及较大的能量密度和功率密度,还具有出色的稳定性。
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