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多孔掺磷碳纳米管:磷酸水热合成及其在氧还原和锂硫电池中的应用

郭梦清 , 黄佳琦 , 孔祥屹 , 彭翃杰 , 税晗 , 钱方圆 , 朱林 , 朱万诚 , 张强

碳纳米管优异的物理性质和可调的化学组成使其拥有广泛的应用前景.采用低温过程在碳骨架中引入磷原子预期带来可调的化学特性.本研究采用170℃下水热处理碳纳米管-磷酸混合物获得磷掺杂的碳纳米管.磷掺杂的碳管的磷含量为1.66％,比表面积为132 m2/g,热失重峰在纯氧环境下提升至694℃.当掺磷碳纳米管用于氧还原反应时,其起始电位为-0.20 V,电子转移数为2.60,反应电流显著高于无掺杂的碳纳米管.当其用作锂硫电池正极导电材料时,电极的起始容量为1 106 mAh/g,电流密度从0.1C提升至1C时容量保留率为80％,100次循环的衰减率为每圈0.25％.

关键词: 碳纳米管 , 氧还原反应 , 锂硫电池 , 磷掺杂

MgO负载Fe基催化剂选择性合成单/双/多壁碳纳米管

张强 , 赵梦强 , 黄佳琦 , 骞伟中 , 魏飞

催化学报

通过浸渍及水热处理获得MgO负载的Fe基催化剂,并将其用于化学气相沉积过程裂解甲烷获得碳纳米管. 结果表明,单/双/多壁碳纳米管可选择性地生长在Fe负载量不同的Fe/MgO催化剂上. 当Fe负载量仅为0.5%时,铁原子在载体表面烧结为0.8～1.2 nm的铁颗粒,碳在这种小颗粒上以表面扩散为主,导致单壁碳纳米管形成,并且单壁碳纳米管的选择性高达90%. 当Fe负载量提高到3%时,铁原子聚集成约2.0 nm的颗粒,在化学气相沉积中生长碳纳米管时,碳在Fe催化剂颗粒中的体相扩散的贡献增大,在表相扩散和体相扩散的共同作用下,双壁碳纳米管的选择性显著增高. 当进一步增加Fe负载量时,铁原子烧结形成1～8 nm的颗粒,经过化学气相沉积,在催化剂上生长了单、双、多壁碳纳米管. 随着Fe在MgO载体上负载量的增加,管径、管壁数以及半导体管的含量都增加. 本研究提供了一种适合大批量选择性生长单/双/多壁碳纳米管的方法.

关键词: 碳纳米管 , 化学气相沉积 , 铁 , 氧化镁 , 负载型催化剂 , 微结构 , 拉曼光谱

碳质材料在锂硫电池中的应用研究进展

张强 , 程新兵 , 黄佳琦 , 彭翃杰 , 魏飞

新型炭材料

随着石墨负极的成功商用，锂离子电池在智能手机、笔记本电脑等便携式电子设备中已得到广泛的应用。经过20多年的发展，现有基于嵌锂化合物正极的锂离子电池已接近其理论容量，但仍不能满足高速发展的电子工业和新兴的电动汽车等行业的要求，寻找具有更高能量密度的电池系统迫在眉睫。锂硫电池系统具有极高的理论能量密度，在多种储能系统中是最具潜力的一种二次电池。但是锂硫电池中也存在硫的电导率极低、多硫化物溶解迁移等问题，使其在走向实用化的过程中遇到许多困难。纳米碳质材料在新型锂硫电池的开发过程中处于重要地位，通过纳米炭的引入，可以获得导电复合正极材料，控制多硫化物的穿梭，从而有望实现正极硫材料的高效利用。综述了基于纳米炭-硫复合正极材料，尤其是碳纳米管、石墨烯、多孔炭以及其杂化物等材料复合的电极，分析其结构与锂硫电池性能的关系，并展望锂硫电池的发展方向。

关键词: 锂硫电池 , 碳硫复合正极 , 纳米炭 , 碳纳米管 , 石墨烯 , 多孔炭 , 杂化物