多孔碳材料在各種能源和環(huán)境相關(guān)的應(yīng)用中表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。在過(guò)去的幾十年里,人們?cè)诩{米多孔碳的孔徑、表面化學(xué)和結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了大量的協(xié)同設(shè)計(jì)和調(diào)控。現(xiàn)將2019年至 2021年部分發(fā)表的多孔碳材料相關(guān)綜述文獻(xiàn)進(jìn)行匯總,以便了解多孔碳材料發(fā)展趨勢(shì)和關(guān)注熱點(diǎn)。2019年01多孔碳材料的研究進(jìn)展多孔碳材料具有高的比表面積、可調(diào)控的物理化學(xué)性質(zhì)、價(jià)廉易得等優(yōu)點(diǎn),在能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換、催化、吸附分離等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。多孔碳材料的制備方法和前驅(qū)體的選擇直接決定了其性能及使用范圍。聚合物結(jié)構(gòu)豐富,通過(guò)碳化不同結(jié)構(gòu)的聚合物制備多孔碳材料是目前多孔碳材料的研究熱點(diǎn)之一。南開(kāi)大學(xué)王鴻教授團(tuán)隊(duì)以“多孔碳材料的研究進(jìn)展”為題在《中國(guó)科學(xué):化學(xué)》期刊發(fā)表評(píng)述,詳細(xì)綜述了目前多孔碳材料的主要制備方法以及聚合物作為碳前驅(qū)體,其結(jié)構(gòu)與多孔碳材料結(jié)構(gòu)與性能之間的構(gòu)效關(guān)系。最后,對(duì)多孔碳材料的未來(lái)發(fā)展方向做了進(jìn)一步的展望。原文信息DOI:10.1360/N032018-0021702用于二氧化碳捕獲的生物質(zhì)衍生多孔碳近年來(lái),尋求生產(chǎn)用于CO2捕獲的經(jīng)濟(jì)高效的吸附劑受到了極大的關(guān)注。生物質(zhì)衍生多孔碳由于其優(yōu)異的質(zhì)地特性、可調(diào)節(jié)的孔隙率和低成本被認(rèn)為是最優(yōu)選的 CO2 捕獲吸附材料。包括固態(tài)活化在內(nèi)的不同類型的活化過(guò)程在這些材料中具有適當(dāng)?shù)男螒B(tài)和其他物理化學(xué)性質(zhì),使它們能夠作為有效的 CO2 捕獲吸附劑。紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)的Ajayan Vinu教授團(tuán)隊(duì)以“Biomass derived porous carbon for CO2 capture”為題在《Carbon》期刊發(fā)表綜述,在這篇綜述中,整合已發(fā)表文獻(xiàn)中的關(guān)鍵科學(xué)成果,并提供了批判性評(píng)論,以對(duì)生物炭和活性炭的生產(chǎn)及其在 CO2 捕獲中的應(yīng)用提供廣泛的見(jiàn)解。詳細(xì)介紹了對(duì)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的熱解機(jī)制的全面回顧。討論了不同活化劑生產(chǎn)活性炭的能力。介紹了生物炭和活性多孔碳在CO2 捕獲領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展。最后概述了未來(lái)前景和潛在研究方向,這些方向可以促進(jìn)生物質(zhì)衍生多孔碳材料在二氧化碳捕獲和能量?jī)?chǔ)存等應(yīng)用中的利用。03不同維度生物質(zhì)衍生多孔碳材料在超級(jí)電容器電極方面的應(yīng)用進(jìn)展中科院山西煤化所陳成猛研究員團(tuán)隊(duì)以”Biomass-derived porous carbon materials with different dimensions for supercapacitor electrodes: a review”為題在國(guó)際期刊《Journal of Materials Chemistry A》上發(fā)表綜述文章。前期分別以柳絮(JMCA. 2016, 4, 1637-1646)、木棉(Sustainable Energy Fuels, 2018,2, 455-465)、以及中空碳微管為模板進(jìn)行氫氧化鎳生長(zhǎng)獲得了復(fù)合電極(ChemElectroChem, 2018, 5, 1279–1287),這些生物質(zhì)基炭材料應(yīng)用在超級(jí)電容器中均取得了優(yōu)異的電化學(xué)性能。基于此,作者在文中進(jìn)一步重點(diǎn)梳理了近幾年不同維度的生物質(zhì)衍生多孔炭及其作為超級(jí)電容器電極材料的研究進(jìn)展,并總結(jié)了一維、二維、三維結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)炭材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在超級(jí)電容器中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。最后,提出了當(dāng)前生物質(zhì)炭基電極材料在超級(jí)電容器應(yīng)用過(guò)程中存在的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展前景。04多孔碳基材料設(shè)計(jì)及其CO2捕集應(yīng)用近年來(lái),由于人類能耗需求的增長(zhǎng)和大量化石燃料的使用,二氧化碳(CO2)、甲烷、氮氧化物、氟氯烴等溫室氣體的排放量以驚人的速度增長(zhǎng),其中CO2在大氣中的含量最高,是造成溫室效應(yīng)的主要因素。據(jù)Global Carbon Budget 2018報(bào)道,全球CO2排放量正以每年2.7%的驚人速度增長(zhǎng),截止2018年已達(dá)到371億公噸。CO2造成全球氣候變暖、海平面上升等生態(tài)問(wèn)題日益顯現(xiàn),已嚴(yán)峻威脅人類社會(huì)存在和發(fā)展。因此,發(fā)展高效的CO2捕集(CO2 capture)技術(shù)至關(guān)重要且緊急。常見(jiàn)的CO2捕集技術(shù)主要包括吸收法、膜分離法和吸附法。前兩者通常面對(duì)較大的技術(shù)問(wèn)題,比如胺基吸收劑毒性強(qiáng)、對(duì)設(shè)備造成腐蝕、再生能耗高,以及需要高壓實(shí)現(xiàn)膜分離從而導(dǎo)致能耗增大,分離效率和產(chǎn)品純度低。多孔碳材料一直以來(lái)是材料領(lǐng)域和氣體吸附領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),其具有發(fā)達(dá)且易調(diào)控的孔隙結(jié)構(gòu)、巨大的比表面積,以及較強(qiáng)的化學(xué)和熱穩(wěn)定性,同時(shí)對(duì)CO2的吸附容量大,原料來(lái)源廣泛,成本相對(duì)低廉,尤其是在有水蒸汽的情況下使用多孔碳材料不但可以節(jié)省能耗,而且可以提升回收的CO2純度。加拿大滑鐵盧大學(xué)的陳忠偉教授研究組以“Rational Design of Tailored Porous Carbon-based Materials for CO2 Capture”為題在《Journal of Materials Chemistry A》期刊發(fā)表綜述文章,系統(tǒng)性總結(jié)和展望了近年來(lái)多孔碳材料在CO2捕集領(lǐng)域的研究進(jìn)展。文章首先基于不同的前驅(qū)體材料,綜述了設(shè)計(jì)和合成多孔碳的方法論,著重分析了有效調(diào)節(jié)孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)的策略,特別總結(jié)了其制備-結(jié)構(gòu)-吸附性能的關(guān)系。然后從孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)摻雜的層面,在本質(zhì)上詳細(xì)討論了多孔碳和CO2分子之間的相互作用機(jī)理,旨在從根本上揭示并理解多孔碳基材料的CO2吸附行為。發(fā)展合理有效的多孔碳設(shè)計(jì)策略是實(shí)現(xiàn)高效率CO2捕集的關(guān)鍵。最后,文章全面總結(jié)了目前多孔碳材料在實(shí)驗(yàn)室制備和實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中所面臨的挑戰(zhàn),以及對(duì)其未來(lái)發(fā)展的機(jī)會(huì)與前景進(jìn)行了展望。該綜述意在提供一個(gè)系統(tǒng)性的多孔碳材料設(shè)計(jì)和合成指導(dǎo)方針,為活躍在碳材料和氣體吸附領(lǐng)域的科研人員提供參考。未來(lái)的研究重點(diǎn)應(yīng)該關(guān)注于:1)發(fā)展綠色可再生資源作為前驅(qū)體來(lái)制備多孔碳,降低加工成本和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展性;2)發(fā)展孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)高效可調(diào)的合成方法論,最大化CO2捕集效率;3)CO2捕集性能評(píng)價(jià)應(yīng)在真實(shí)或者模擬真實(shí)環(huán)境(含有水蒸氣、其他酸性氣體等競(jìng)爭(zhēng)吸附組分)下進(jìn)行,而不是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模最常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)純氣體測(cè)試條件;4)常被忽視的吸附動(dòng)力學(xué)研究必須給予足夠重視,來(lái)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的吸附-脫附循環(huán)再生過(guò)程。05膠原基多孔炭的設(shè)計(jì)、合成及在電化學(xué)儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用北京化工大學(xué)王峰教授、張正平副教授研究團(tuán)隊(duì)和黃雅欽教授研究團(tuán)隊(duì)以“Porous Carbons Derived from Collagen-Enriched Biomass: Tailored Design, Synthesis, and Application in Electrochemical Energy Storage and Conversion”為題在《Advanced Functional Materials》期刊發(fā)表綜述,總結(jié)了膠原基多孔炭(CPCs)的設(shè)計(jì)和合成方法,并討論了它們?cè)陔娀瘜W(xué)能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。本文詳細(xì)描述了具有特定結(jié)構(gòu)組成的富含膠原蛋白的生物質(zhì)(包括動(dòng)物骨、動(dòng)物皮和魚(yú)鱗),提出了基于前軀體的結(jié)構(gòu)組成來(lái)設(shè)計(jì)合成CPCs的研究思路,介紹了幾種典型的CPCs及其合成方法,并通過(guò)幾個(gè)代表性的實(shí)例對(duì)CPCs在電化學(xué)能量存儲(chǔ)(對(duì)稱電容器、鋰離子電容器、鈉離子電容器和鋰硫電池)和電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換(氧還原反應(yīng)、氧析出反應(yīng)和氫析出反應(yīng))中的應(yīng)用做了詳盡的闡述。2020年
06多孔碳納米片的合成策略及其電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用浙江大學(xué)侯陽(yáng)教授、上海交通大學(xué)麥亦勇教授和德國(guó)德累斯頓工業(yè)大學(xué)馮新亮教授等人以“Porous carbon nanosheets: Synthetic strategies and electrochemical energy related applications”為題在《Nano Today》期刊發(fā)表綜述文章,全面總結(jié)了硬模板策略、軟模板策略和無(wú)模板策略合成多孔碳納米片(PCN)及其雜化材料的最新進(jìn)展,總結(jié)了各策略對(duì)PCNs孔結(jié)構(gòu)、縱橫比和比表面積的控制,并通過(guò)如水熱法,等離子體處理,NH3活化,電化學(xué)沉積等后處理進(jìn)行調(diào)整、設(shè)計(jì)和控制PCNs中摻雜和嵌入的活性顆粒。分析了PCN材料在鋰離子電池,超級(jí)電容器和電催化氧還原的應(yīng)用。討論了合成特定性質(zhì)PCN的挑戰(zhàn)及其電化學(xué)能源應(yīng)用進(jìn)展。目前,PCNs材料在能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換應(yīng)用中仍然面臨以下挑戰(zhàn):(1)如何獲得可受控和有序微孔/中孔結(jié)構(gòu)的PCN;(2)如何獲取超高比表面積(>3000 m2g-1)的PCN;(3)如何獲取超高孔體積的PCN;(4)如何獲得均勻形態(tài)或維數(shù)控制等。目前,大多數(shù)報(bào)道集中在多氯化萘的合成方法和2D碳納米片新的功能或新結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。但是合成3D分級(jí)多孔碳材料,2D異質(zhì)結(jié)構(gòu)和厚度可控的聚合物膜的報(bào)道仍然很少。另外,可以通過(guò)共價(jià)或非共價(jià)官能化來(lái)解決PCNs的不良溶劑分散性,有助于新型PCNs材料,擴(kuò)展PCNs材料在分離膜,生化傳感器和量子器件等中的應(yīng)用。07應(yīng)用于超級(jí)電容器的多孔碳材料的合成策略隨著電動(dòng)汽車(chē)、便攜式電子設(shè)備的快速發(fā)展,雙電層型超級(jí)電容器(EDLCs)以其高功率密度、超長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性等得到了廣泛的關(guān)注。多孔碳材料是商用EDLCs中最主要的電極活性材料,面臨著生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)過(guò)程設(shè)備腐蝕、污染物排放等問(wèn)題。因此開(kāi)發(fā)多孔碳材料的新型合成策略及不同策略下的造孔機(jī)制,對(duì)于降低EDLCs成本,擴(kuò)展EDLCs應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)(KAUST)的Husam N. Alshareef教授團(tuán)隊(duì)以“Synthesis Strategies of Porous Carbon for Supercapacitor Applications”為題在《Small Methods》期刊發(fā)表綜述,根據(jù)不同的造孔活化機(jī)制,歸納了合成多孔碳材料的主要方法以及其他新型造孔策略。并對(duì)這些方法的科學(xué)原理、本質(zhì)優(yōu)勢(shì)與面臨的難點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)地總結(jié)與歸納。同時(shí)進(jìn)一步深入闡述了其中的造孔機(jī)制,匯總了相關(guān)領(lǐng)域的最新進(jìn)展,并且討論了開(kāi)發(fā)多孔碳材料及其在EDLCs中應(yīng)用的未來(lái)機(jī)遇與挑戰(zhàn)。文章還分析了各種造孔策略各自的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì),展望了一些為實(shí)現(xiàn)高性能的超級(jí)電容器亟待解決的挑戰(zhàn),如兼具造孔效果與環(huán)境友好性的刻蝕劑及相應(yīng)的化學(xué)活化造孔方法仍然有待提出,碳材料的導(dǎo)電性有待進(jìn)一步提升、電極材料振實(shí)密度應(yīng)給予更多關(guān)注、多孔碳材料的循環(huán)穩(wěn)定性尚有提升空間。這些問(wèn)題既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇,解決這些問(wèn)題對(duì)未來(lái)高性能超級(jí)電容器的開(kāi)發(fā)具有重大意義。08多孔碳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究
阿德萊德大學(xué)王少彬教授和艾迪斯科文大學(xué)孫紅旗教授研究團(tuán)隊(duì)以“Porous Carbons: Structure‐Oriented Design and Versatile Applications”為題在《Advanced Functional Materials》期刊發(fā)表綜述文章,文中總結(jié)了納米多孔碳材料在水處理、二氧化碳吸附、鋰離子電池、鋰硫電池、鋰金屬陽(yáng)極、鈉離子電池、鉀離子電池、超級(jí)電容器和電催化領(lǐng)域里的應(yīng)用及構(gòu)效關(guān)系。綜述了多孔碳的最新合成策略。通過(guò)組織調(diào)控得到具有微孔、介孔、大孔、多級(jí)孔、有序孔或石墨化的碳等結(jié)構(gòu)的多孔碳材料,并介紹了多孔碳在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用。最后,對(duì)碳材料面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)的發(fā)展前景提出了一些見(jiàn)解。本文將有助于人們更有效地了解多孔碳組織性質(zhì)調(diào)控的方法,以及多孔碳在多種用途上應(yīng)用的可能性。但是在某些情況下,預(yù)期的性質(zhì)可能并不總是對(duì)性能產(chǎn)生積極的影響。例如,一方面來(lái)說(shuō),雜原子改性碳材料可以有效地引入活性位點(diǎn),但過(guò)度摻雜可能會(huì)破壞多孔結(jié)構(gòu),而某些原子 (如氧) 的過(guò)量可能會(huì)損害碳的電導(dǎo)率。對(duì)于納米孔碳的未來(lái)發(fā)展,有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系進(jìn)行更深入系統(tǒng)的了解,合理控制合成與結(jié)構(gòu)調(diào)控以適應(yīng)不同應(yīng)用的需要。例如,不同前驅(qū)體的選擇如何影響多孔碳的結(jié)構(gòu)、形貌和性質(zhì),不同的孔形貌如何影響吸附、催化或能源相關(guān)的性能,等等。同時(shí),在制備碳材料過(guò)程中降低廢物的產(chǎn)生、減少能源和材料的消耗、發(fā)展經(jīng)濟(jì)型低污染或無(wú)污染的方法、并從生物質(zhì)或其它可再生的前驅(qū)體制備功能化納米多孔碳,是至關(guān)重要的。總的來(lái)說(shuō),納米多孔碳已經(jīng)對(duì)世界產(chǎn)生了革命性的影響,進(jìn)一步優(yōu)化納米多孔碳的結(jié)構(gòu)、合成工藝以及在環(huán)境、能源和其他方面的應(yīng)用都存在著巨大的研究潛力與價(jià)值。09碳?xì)饽z的制備及其應(yīng)用的最新進(jìn)展碳基材料的獨(dú)特性能和實(shí)用性已經(jīng)改變了電能存儲(chǔ) (EES)、環(huán)境科學(xué)和材料化學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)領(lǐng)域。它們出色的機(jī)械性能和非凡的導(dǎo)電性為在不同領(lǐng)域的應(yīng)用提供了巨大的潛力。然而,來(lái)自前驅(qū)體的雜質(zhì)和天然碳質(zhì)材料不可控制的特性變化,創(chuàng)造了對(duì)合成碳基替代品日益增長(zhǎng)的需求。仁荷大學(xué)Soo-Jin Park教授團(tuán)隊(duì)以“Recent advances in preparations and applications of carbon aerogels: A review”為題在《Carbon》期刊發(fā)表研究綜述,簡(jiǎn)要概述碳?xì)饽z的歷史和基本概念,并對(duì)其應(yīng)用的最新發(fā)展進(jìn)行全面總結(jié)。碳?xì)饽z的高純度和結(jié)構(gòu)可控性使其成為克服前述障礙的有希望的替代品。碳?xì)饽z的獨(dú)特特性使其能夠用作儲(chǔ)能材料、催化支架和吸附劑。此外,碳?xì)饽z的克努森效應(yīng)和疏水性促進(jìn)了有機(jī)污染物分離器和熱絕緣體的應(yīng)用。10多孔炭基二氧化碳電催化材料研究進(jìn)展二氧化碳(CO2)電催化轉(zhuǎn)化引起廣泛關(guān)注,其中非貴金屬多孔炭基催化劑是研究熱點(diǎn)。大連理工大學(xué)郝廣平教授團(tuán)隊(duì)以“多孔炭基二氧化碳電催化材料研究進(jìn)展”為題在《化工學(xué)報(bào)》期刊發(fā)表綜述,重點(diǎn)介紹了近年來(lái)多孔炭基 CO2電催化材料的孔結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)、形貌調(diào)控策略,歸納了增強(qiáng)多孔炭基 CO2電催化還原效率的方法,探討了多孔炭基催化材料的活性中心類型與分布,分析了提高催化活性位密度的手段。在總結(jié)近年來(lái)取得研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,展望了多孔炭基催化劑在電催化 CO2轉(zhuǎn)化方面的發(fā)展趨勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)。11用于電化學(xué)電容儲(chǔ)能的納米多孔碳對(duì)高效儲(chǔ)能設(shè)備的迫切需求激發(fā)了對(duì)電化學(xué)雙層電容器(EDLC)的大量研究。四川大學(xué)林紫峰教授和圖盧茲第三大學(xué)Patrice Simon教授團(tuán)隊(duì)以“Nanoporous carbon for electrochemical capacitive energy storage”為題在《Chemical Society Reviews》期刊發(fā)表綜述,旨在從材料科學(xué)和表征技術(shù)的角度總結(jié)納米多孔碳的最新進(jìn)展,該納米多孔碳是電容性儲(chǔ)能領(lǐng)域中最常用的EDLC電極材料。討論了對(duì)納米多孔碳基電極中電荷存儲(chǔ)機(jī)制的基本理解的關(guān)鍵進(jìn)展,包括在受限納米孔中形成雙層。也將特別注意先進(jìn)原位的重要發(fā)展分析技術(shù)和理論研究,以更好地了解這些受限孔隙中的碳孔隙結(jié)構(gòu),電解質(zhì)離子環(huán)境和離子通量。還重點(diǎn)介紹了用于EDLC的高級(jí)電解質(zhì)的最新進(jìn)展。對(duì)納米多孔碳基電極的電荷存儲(chǔ)機(jī)制的更好理解和電解質(zhì)的合理設(shè)計(jì)應(yīng)為開(kāi)發(fā)下一代EDLC提供參考。12生物質(zhì)衍生多孔碳納米材料應(yīng)用于電磁波吸收生物質(zhì)多孔碳基納米結(jié)構(gòu)具有成本低、資源豐富、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),受到廣大研究人員的關(guān)注。其豐富的多孔結(jié)構(gòu)、可調(diào)的介電性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性等特性使其在新型輕質(zhì)高效電磁波吸收領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。南京大學(xué)張豹山教授、南京航空航天大學(xué)姬廣斌教授和新加坡南洋理工大學(xué)徐梽川教授以“Biomass?Derived Porous Carbon?based Nanostructures for Microwave Absorption”為題在《Nano?Micro Letters》期刊發(fā)表綜述,文章綜述了生物質(zhì)衍生多孔碳納米結(jié)構(gòu)的多種制備方法和原理及其在電磁波吸收領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和組分優(yōu)化兩個(gè)方面對(duì)電磁波衰減機(jī)制進(jìn)行了深入分析與討論。并總結(jié)和展望了生物質(zhì)衍生碳基納米結(jié)構(gòu)在制備和應(yīng)用過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展方向。13生物質(zhì)衍生多孔碳在鋰硫電池中的應(yīng)用近年來(lái),生物質(zhì)碳在電池中的應(yīng)用發(fā)展迅速。四川大學(xué)陳彥逍教授團(tuán)隊(duì)以“Review of the application of biomass-derived porous carbon in lithium-sulfur batteries”為題在《Ionics》期刊發(fā)表綜述文章,系統(tǒng)地總結(jié)了各種類型的生物質(zhì)衍生多孔碳材料在鋰硫電池正極和隔膜上的研究進(jìn)展。綜述給出一些對(duì)未來(lái)生物質(zhì)衍生多孔碳在鋰硫電池中應(yīng)用的建議。(1)根據(jù)電池系統(tǒng),明確生物質(zhì)前驅(qū)體的選擇以獲得滿足實(shí)驗(yàn)要求的碳材料結(jié)構(gòu)。在碳化過(guò)程中,需要采用可控合成方法來(lái)控制孔徑,不同大小的氣孔對(duì)電池的性能起到了積極的作用。(2)設(shè)計(jì)合理的電極結(jié)構(gòu)以適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用條件。制備高硫正極可以增加鋰硫電池的競(jìng)爭(zhēng)力。(3)單獨(dú)使用生物質(zhì)衍生碳不能滿足電池的實(shí)際應(yīng)用要求。極性基團(tuán)和聚合物改性材料等改性策略對(duì)組裝電池的長(zhǎng)循環(huán)性能和倍率性能提高有顯著意義。生物質(zhì)衍生碳來(lái)源豐富、價(jià)格低廉、合成方法簡(jiǎn)單,在生物能源領(lǐng)域具有巨大的潛力。充分利用鋰硫電池的高能量密度,將突破其在工業(yè)應(yīng)用中遇到的技術(shù)壁壘。(4)研究結(jié)構(gòu)與電性能之間的結(jié)構(gòu)效應(yīng)關(guān)系是有價(jià)值的。在材料合成的研究中,目前缺乏對(duì)生物質(zhì)碳結(jié)構(gòu)和性能的理論研究。進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)與電學(xué)性質(zhì)的關(guān)系對(duì)生物質(zhì)碳的選擇具有參考價(jià)值。14聚合物衍生的雜原子摻雜多孔碳材料雜原子摻雜多孔碳材料(HPCMs)在吸附/分離、有機(jī)催化、傳感和能量轉(zhuǎn)換/存儲(chǔ)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。碳前驅(qū)體的選擇是制造具有特定用途和功能最大化的高性能HPCMs材料的關(guān)鍵。作為前驅(qū)體的聚合物因其通用的分子和納米級(jí)結(jié)構(gòu),可調(diào)節(jié)的化學(xué)組成以及豐富的加工技術(shù)(這些技術(shù)結(jié)合固態(tài)化學(xué)作用,可以在整個(gè)碳化過(guò)程中得到保持)而產(chǎn)生了廣闊的前景。南開(kāi)大學(xué)王鴻教授團(tuán)隊(duì)與國(guó)外研究人員合作以“Polymer-Derived Heteroatom-Doped Porous Carbon Materials”為題在《Chemical Reviews》期刊發(fā)表綜述。系統(tǒng)總結(jié)了從如何產(chǎn)生和控制其孔隙率,雜原子摻雜效應(yīng),形貌及其相關(guān)用途等方面全面綜述了聚合物衍生的功能性HPCM的進(jìn)展。首先總結(jié)并討論了合成方法,包括硬和軟模板方法以及采用聚合物控制HPCM和/或雜原子的直接合成策略。其次,總結(jié)了雜原子摻雜對(duì)HPCM的熱穩(wěn)定性,電子和光學(xué)性質(zhì)以及表面化學(xué)的影響。具體地,討論了雜原子摻雜效應(yīng),其涉及單類型雜原子摻雜和兩種或更多種類型的雜原子共摻雜到碳網(wǎng)絡(luò)中。考慮到HPCM的形態(tài)在其應(yīng)用范圍內(nèi)的重要性,提出了合適的聚合物前體的潛在選擇以及精確調(diào)節(jié)HPCM的形態(tài)的策略。最后,作者提供了如何通過(guò)使用聚合物來(lái)預(yù)定義HPCM的結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn),以實(shí)現(xiàn)其在當(dāng)前能量產(chǎn)生/轉(zhuǎn)化和環(huán)境修復(fù)領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用。該工作對(duì)系統(tǒng)地了解聚合物衍生的碳材料和HPCM的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。15流體前驅(qū)體模板法合成的多孔碳及其在環(huán)境和儲(chǔ)能中的應(yīng)用多孔碳具有來(lái)源廣、成本低、孔結(jié)構(gòu)可定制、表面官能團(tuán)豐富等優(yōu)點(diǎn),在環(huán)境和儲(chǔ)能領(lǐng)域具有巨大潛力。成孔方法和前驅(qū)體是制備的兩個(gè)關(guān)鍵因素多孔碳。模板方法能夠有目的地和精確地調(diào)整孔結(jié)構(gòu),在合成多孔碳方面非常重要。同時(shí),由于具有混溶性和易于調(diào)整的形態(tài),流體前驅(qū)體是與模板方法相匹配的最佳候選者。因此,可以開(kāi)發(fā)出具有有序孔結(jié)構(gòu)、可控形態(tài)、均勻活性位點(diǎn)和功能設(shè)計(jì)的流體前驅(qū)體(PCTF)模板法合成的多孔碳。四川大學(xué)江霞教授團(tuán)隊(duì)以“Porous carbons synthesized by templating approach from fluid precursors and their applications in environment and energy storage:A review”為題在《Carbon》期刊發(fā)表綜述研究,回顧了流體前體和模板方法的進(jìn)展,總結(jié)了PCTF在環(huán)境和儲(chǔ)能方面的應(yīng)用。包括離子液體、碳水化合物、油等的流體前體被系統(tǒng)地引入。此外,還總結(jié)和比較了模板方法,包括自生成模板方法、硬模板方法和軟模板方法。介紹了在空氣污染控制、水污染控制、超級(jí)電容器和電池方面的應(yīng)用,并在整個(gè)評(píng)論中討論了 PCTF 當(dāng)前在設(shè)計(jì)優(yōu)秀多孔碳方面的挑戰(zhàn)。16雙電層電容器用活性炭及其評(píng)價(jià)弗羅茨瓦夫科技大學(xué)Gra˙zyna Gryglewicz教授團(tuán)隊(duì)以“Activated Carbons and Their evaluation in Electric Double Layer Capacitors”為題在《molecules》期刊發(fā)表綜述,系統(tǒng)介紹了雙電層電容器電極材料活性炭的制備方2019-2021年多孔碳材料文獻(xiàn)綜述法。簡(jiǎn)要介紹了常用的開(kāi)、閉孔隙度測(cè)定技術(shù)(氣體吸附法、浸入量熱法、X射線法和中子散射法)。詳細(xì)介紹了活性炭的實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)和工業(yè)生產(chǎn)方法,并強(qiáng)調(diào)了各方法在超級(jí)電容器電極材料領(lǐng)域的優(yōu)缺點(diǎn)。討論了活化過(guò)程的一般參數(shù)及其對(duì)活性炭生產(chǎn)效率和多孔結(jié)構(gòu)的影響。活性炭的孔隙度發(fā)展并不是影響容量特性的唯一因素。孔徑分布、原材料來(lái)源、最終碳結(jié)構(gòu)排序、顆粒形態(tài)和純度的作用也必須考慮在內(nèi)。表面化學(xué)的影響不僅考慮了贗容量,還考慮了其他重要因素,如粒子間電導(dǎo)率、最大工作電壓窗口和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。17碳泡沫:具有巨大潛力的3D多孔碳材料泡沫炭是一種具有代表性的多孔結(jié)構(gòu)炭材料。它以其獨(dú)特的三維多孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注,如機(jī)械強(qiáng)度高、密度低、導(dǎo)電性高、可定制導(dǎo)熱性、高吸附、電磁屏蔽、抗燒蝕、以及大的表面積。近年來(lái),在合成和應(yīng)用方面取得了巨大的成就。西安理工大學(xué)劉和光副教授和中佛羅里達(dá)大學(xué)楊陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)以“Carbon foams: 3D porous carbon materials holding immense potential”為題在《Journal of Materials Chemistry A》期刊發(fā)表綜述文章,詳細(xì)介紹了泡沫炭材料的最新發(fā)展。首先闡述了泡沫炭的典型微觀結(jié)構(gòu),包括開(kāi)孔結(jié)構(gòu)和閉孔結(jié)構(gòu)。其次,根據(jù)聚合物、瀝青和生物質(zhì)材料等前驅(qū)體的應(yīng)用,綜述了其合成方法的進(jìn)展。第三,綜述了其在熱管理、吸附、儲(chǔ)能、電磁屏蔽、催化劑載體和傳感器等方面的應(yīng)用前景。其中系統(tǒng)地介紹了其在近年來(lái)得到廣泛發(fā)展的儲(chǔ)能方面的應(yīng)用,特別提到了控制其屬性的策略。最后,討論了如精密制造,擴(kuò)大生產(chǎn)等需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題和挑戰(zhàn),還對(duì)對(duì)泡沫炭的研究前景進(jìn)行了展望。2021年
18新型MOF衍生多孔碳基微波吸收材料金屬有機(jī)骨架材料(MOFs)衍生出的多孔碳基材料具有獨(dú)特的三維空間微結(jié)構(gòu),以及豐富的有機(jī)/無(wú)機(jī)多元組分,賦予其優(yōu)異的電磁波吸收性質(zhì),在電磁波隱身及屏蔽等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的前景。南開(kāi)大學(xué)材料學(xué)院黃毅教授團(tuán)隊(duì)以“A Review on metal–Organic framework?Derived Porous Carbon?based Novel Microwave Absorption Materials”為題在期刊《Nano-Micro Letters》發(fā)表綜述文章,通過(guò)對(duì)不同類型MOFs衍生多孔碳基吸波材料的討論,展示了近年來(lái)MOFs衍生多孔碳基吸波材料的創(chuàng)新性和應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì),提出了MOFs衍生材料在吸波領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向。作者系統(tǒng)綜述了電磁波吸收領(lǐng)域的基本理論;深入分析了近年來(lái)金屬有機(jī)骨架多孔碳基納米復(fù)合材料作為微波吸收材料的研究進(jìn)展,包括磁性單金屬、非磁性單金屬、多金屬M(fèi)OFs衍生多孔碳基吸波材料。通過(guò)合理設(shè)計(jì)MOFs材料的微觀結(jié)構(gòu),增加電磁波的多級(jí)散射和折射,有效調(diào)控MOFs材料的組成和結(jié)構(gòu)以達(dá)到多種損耗機(jī)制的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng),以及通過(guò)發(fā)展新的無(wú)機(jī)金屬中心和有機(jī)配體,開(kāi)發(fā)新型高性能MOFs材料,是未來(lái)MOFs衍生多孔碳基吸波材料的發(fā)展方向,可望實(shí)現(xiàn)隱身材料“薄,寬,輕,強(qiáng)”的目標(biāo)。MOFs衍生的多孔碳基吸波材料大多還在實(shí)驗(yàn)研究階段,其在重點(diǎn)頻段的吸波強(qiáng)度和有效吸收帶寬還有待進(jìn)一步提升。19ZnO模板設(shè)計(jì)的多孔碳材料綜述:設(shè)計(jì),合成和電容性能超級(jí)電容器具有出色的穩(wěn)定性、倍率性能和超高功率密度,為能量存儲(chǔ)提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的途徑。電極材料在超級(jí)電容器中起著決定性的作用。多孔碳材料因其大的比表面積,可調(diào)節(jié)的孔隙率和高電導(dǎo)率而受到了廣泛的關(guān)注。南京林業(yè)大學(xué)何水劍教授等以“Review on porous carbon materials engineered by ZnO templates: Design, synthesis and capacitance performance”為題在《Materials & Design》期刊表發(fā)綜述,闡明ZnO模板在多孔碳納米材料的構(gòu)造中的結(jié)構(gòu)指導(dǎo)作用以及相應(yīng)碳材料的電容性能研究進(jìn)展。為了制備多孔碳材料,已經(jīng)探索了各種硬模板和軟模板。在這些模板中,由于納米ZnO制備簡(jiǎn)便,結(jié)構(gòu)可調(diào),價(jià)格低廉且生態(tài)友好,因此是不錯(cuò)的選擇。此外,通過(guò)碳熱還原可將ZnO轉(zhuǎn)化為Zn,還原后的Zn可催化碳的石墨化。生成的Zn將被蒸發(fā),從而無(wú)需進(jìn)行模板去除過(guò)程。這篇綜述為具有ZnO模板的多孔碳的設(shè)計(jì)提供了建設(shè)性的思想,并適用于儲(chǔ)能應(yīng)用的其他硬模板。20多孔炭對(duì)超級(jí)電容器電容性能的影響超級(jí)電容器具有高功率密度、使用壽命長(zhǎng)、適用溫度范圍寬、安全可靠性高等特點(diǎn),在汽車(chē)、軌道交通、電網(wǎng)及電力設(shè)備、儀器儀表和傳感器、數(shù)碼電子、智能家電、電動(dòng)工具、通訊設(shè)備、工程機(jī)械、船舶、航天軍工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用,并高速增長(zhǎng)。超級(jí)電容器根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)理不同可分為贗電容器和雙電層電容器。贗電容器主要通過(guò)離子在電極材料的表面/近表面發(fā)生非擴(kuò)散控制的法拉第氧化還原反應(yīng)存儲(chǔ)電荷,而雙電層電容器則依靠離子在電極/電解質(zhì)界面上的物理吸/脫附存儲(chǔ)電荷。電極材料是超級(jí)電容器最關(guān)鍵的部件之一,其對(duì)電容性能具有重要的影響。由于多孔炭材料具有良好的物化穩(wěn)定性、高比表面、可調(diào)的孔結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的導(dǎo)電性、低成本、環(huán)保、資源豐富等優(yōu)點(diǎn),是目前商用超級(jí)電容器主要電極材料。海南大學(xué)陳永教授和莫巖教授團(tuán)隊(duì)以“A review of charge storage in porous carbon-based supercapacitors”為題在《NEW CARBON MATERIALS》期刊發(fā)表綜述,系統(tǒng)總結(jié)了多孔炭對(duì)超級(jí)電容器電容性能的影響。該綜述詳細(xì)地概述了電荷存儲(chǔ)的雙電層理論,包括Helmholtz、Gouy-Chapman和Stern模型;系統(tǒng)地總結(jié)了多孔炭基超級(jí)電容器電容性能的影響因素,包括比表面積、孔結(jié)構(gòu)、表面化學(xué)狀態(tài)、炭的結(jié)構(gòu)缺陷及雜原子摻雜和電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。該綜述為多孔炭基超級(jí)電容器的設(shè)計(jì)奠定了一定的理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)方向。21活性炭在二氧化碳捕獲中的應(yīng)用:目前的性能、制備和表面改性進(jìn)一步改進(jìn)大氣安全和應(yīng)對(duì)氣候變化的問(wèn)題日益突出。人為二氧化碳排放造成的氣候變化危機(jī)已促使許多國(guó)家/地區(qū)政府頒布政策來(lái)解決這一問(wèn)題。其中包括規(guī)范主要工業(yè)來(lái)源的二氧化碳排放,如發(fā)電廠、石化行業(yè)、水泥廠和其他依賴燃燒化石燃料的能源運(yùn)營(yíng)的行業(yè)。鑒于此,人們對(duì)各種二氧化碳捕獲和封存技術(shù)進(jìn)行了研究和介紹。多孔固體材料對(duì)CO2的吸附由于其成本效益高、易于應(yīng)用和相對(duì)較低的能源需求而受到越來(lái)越多的關(guān)注。盡管沸石、碳基、金屬有機(jī)框架、介孔硅和聚合物等先進(jìn)材料正在被研究,但對(duì)活性炭(ACs)的研究仍是主流。澳大利亞科廷大學(xué)Ammar Ali Abd和馬來(lái)西亞理科大學(xué)Mohd Roslee Othman教授研究組以“A review on application of activated carbons for carbon dioxide capture: present performance, preparation, and surface modification for further improvement”為題在《Environmental Science and Pollution Research》期刊發(fā)表綜述,闡明不同來(lái)源的活性炭對(duì)CO2的吸附特性。研究了基于孔徑/形狀和表面化學(xué)的選擇性吸附。評(píng)估了活性炭與NH3、胺和金屬氧化物表面修飾對(duì)CO2吸附性能的影響。對(duì)活性炭在潮濕條件下的吸附性能進(jìn)行了總結(jié)。最后,通過(guò)對(duì)活性炭基復(fù)合材料的研究,提出了提高活性炭對(duì)CO2吸附性能的可行策略。22聚合物前驅(qū)體碳分子篩膜用于烯烴/石蠟分離的研究進(jìn)展
韓國(guó)化學(xué)技術(shù)研究所(KRICT)You-In Park教授研究組以“A Review on Polymer Precursors of Carbon Molecular Sieve Membranes for Olefin/Paraffin Separation”為題在《membranes》期刊發(fā)表綜述。碳分子篩 (CMS) 膜已被開(kāi)發(fā)用于替代或支持用于烯烴/石蠟分離的能源密集型低溫蒸餾。烯烴和石蠟具有相似的分子特性,但可以通過(guò)具有剛性狹縫狀孔結(jié)構(gòu)的 CMS 膜進(jìn)行有效分離。就 CMS 膜的結(jié)構(gòu)和性能而言,各種聚合物前驅(qū)體可以產(chǎn)生不同的結(jié)果。在此,對(duì)于烯烴/石蠟分離,介紹了衍生自多種聚合物前體(如聚酰亞胺、酚醛樹(shù)脂和固有微孔聚合物,PIM)的CMS膜,并總結(jié)了這些膜的烯烴/石蠟分離性能。還綜述了將無(wú)機(jī)材料摻入聚合物前體和熱解過(guò)程對(duì) CMS 膜性能的影響。最后,討論了 CMS 膜在烯烴/石蠟分離和老化問(wèn)題上的前景和未來(lái)方向。23木質(zhì)素衍生多孔炭的合成方法及其在超級(jí)電容器的應(yīng)用木質(zhì)素作為天然植物生物質(zhì)中的可再生組分之一,是一種具有可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ墓δ苄吞疾牧系那膀?qū)體。人們?cè)谀举|(zhì)素衍生炭電極用作二次電池方面做了大量的研究工作。木質(zhì)素也被認(rèn)為是開(kāi)發(fā)高性能、低成本的多孔炭電極材料應(yīng)用于超級(jí)電容器的碳前驅(qū)體之一。廣東工業(yè)大學(xué)張文禮教授&邱學(xué)青教授團(tuán)隊(duì)和阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Husam N. Alshareef教授團(tuán)隊(duì)合作,以“Lignin Derived Porous Carbons: Synthesis Methods and Supercapacitor Applications”為題在《Small Methods》期刊發(fā)表綜述文章,對(duì)近些年木質(zhì)素前驅(qū)體衍生多孔炭的關(guān)鍵合成技術(shù)方法及其在超級(jí)電容器中應(yīng)用的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了綜述,系統(tǒng)地?cái)⑹隽四举|(zhì)素的理化性質(zhì)(典型單體、典型鍵合方式等),木質(zhì)素碳化過(guò)程,LDPCs的合成方法(化學(xué)活化法、物理活化法、模板法、自模板法等),并闡述了各種合成方法的具體機(jī)制;木質(zhì)素衍生多孔炭(LDPC)的合成工藝以及制備電極材料的發(fā)展方向。為超級(jí)電容器的發(fā)展,從綠色可持續(xù)、成本和生產(chǎn)、孔徑和形貌、表面化學(xué)等方面提出了一系列合成LDPCs的策略。基于木質(zhì)素衍生物的不同分子結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì),開(kāi)發(fā)不同的化學(xué)工程工藝來(lái)制備具有不同性質(zhì)、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的LDPCs是未來(lái)木質(zhì)素基多孔炭材料發(fā)展的重要方向。
韓國(guó)化學(xué)技術(shù)研究所(KRICT)You-In Park教授研究組以“A Review on Polymer Precursors of Carbon Molecular Sieve Membranes for Olefin/Paraffin Separation”為題在《membranes》期刊發(fā)表綜述。碳分子篩 (CMS) 膜已被開(kāi)發(fā)用于替代或支持用于烯烴/石蠟分離的能源密集型低溫蒸餾。烯烴和石蠟具有相似的分子特性,但可以通過(guò)具有剛性狹縫狀孔結(jié)構(gòu)的 CMS 膜進(jìn)行有效分離。就 CMS 膜的結(jié)構(gòu)和性能而言,各種聚合物前驅(qū)體可以產(chǎn)生不同的結(jié)果。在此,對(duì)于烯烴/石蠟分離,介紹了衍生自多種聚合物前體(如聚酰亞胺、酚醛樹(shù)脂和固有微孔聚合物,PIM)的CMS膜,并總結(jié)了這些膜的烯烴/石蠟分離性能。還綜述了將無(wú)機(jī)材料摻入聚合物前體和熱解過(guò)程對(duì) CMS 膜性能的影響。最后,討論了 CMS 膜在烯烴/石蠟分離和老化問(wèn)題上的前景和未來(lái)方向。23木質(zhì)素衍生多孔炭的合成方法及其在超級(jí)電容器的應(yīng)用木質(zhì)素作為天然植物生物質(zhì)中的可再生組分之一,是一種具有可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Φ墓δ苄吞疾牧系那膀?qū)體。人們?cè)谀举|(zhì)素衍生炭電極用作二次電池方面做了大量的研究工作。木質(zhì)素也被認(rèn)為是開(kāi)發(fā)高性能、低成本的多孔炭電極材料應(yīng)用于超級(jí)電容器的碳前驅(qū)體之一。廣東工業(yè)大學(xué)張文禮教授&邱學(xué)青教授團(tuán)隊(duì)和阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Husam N. Alshareef教授團(tuán)隊(duì)合作,以“Lignin Derived Porous Carbons: Synthesis Methods and Supercapacitor Applications”為題在《Small Methods》期刊發(fā)表綜述文章,對(duì)近些年木質(zhì)素前驅(qū)體衍生多孔炭的關(guān)鍵合成技術(shù)方法及其在超級(jí)電容器中應(yīng)用的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了綜述,系統(tǒng)地?cái)⑹隽四举|(zhì)素的理化性質(zhì)(典型單體、典型鍵合方式等),木質(zhì)素碳化過(guò)程,LDPCs的合成方法(化學(xué)活化法、物理活化法、模板法、自模板法等),并闡述了各種合成方法的具體機(jī)制;木質(zhì)素衍生多孔炭(LDPC)的合成工藝以及制備電極材料的發(fā)展方向。為超級(jí)電容器的發(fā)展,從綠色可持續(xù)、成本和生產(chǎn)、孔徑和形貌、表面化學(xué)等方面提出了一系列合成LDPCs的策略。基于木質(zhì)素衍生物的不同分子結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì),開(kāi)發(fā)不同的化學(xué)工程工藝來(lái)制備具有不同性質(zhì)、形態(tài)和結(jié)構(gòu)的LDPCs是未來(lái)木質(zhì)素基多孔炭材料發(fā)展的重要方向。
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