多孔碳材料具有高的比表面积、优异的导电性、物理和化学稳定性、气液渗透性、孔结构可调控、价廉易得等优点,在能源存储和转换、催化、吸附分离等领域展现出了巨大的应用前景。
多孔碳按照孔径大小可分为三种类型,微孔(孔径小于2nm)碳、中孔(孔径在2~50nm之间)碳和大孔(孔径大于50nm)碳。多孔碳材料的制备方法和前驱体的选择直接决定了其性能及使用范围。在过去的几十年里,人们在纳米多孔碳的孔径、表面化学和结构等方面进行了大量的协同设计和调控。聚合物结构丰富,通过碳化不同结构的聚合物制备多孔碳材料是目前多孔碳材料的研究热点之一。
锂离子电池具有能量密度高的特点,在日益电气化的社会引起广泛关注。碳材料是锂离子电池的常用负极材料。然而,目前商用石墨的理论容量已接近AG真人 AG平台其理论极限 (372 mAh g-1),性能很难进一步改善。因此,寻找AG真人 AG平台新一代锂离子电池电极材料至关重要。在作为锂离子电池负极时,多孔碳的高比表面积特点使其能结合更多锂离子,为锂离子电池提供高容量;多维复杂的孔洞结构为锂离子提供了有效的扩散通道和较短的锂离子扩散距离;空位、杂原子掺杂等缺陷可以作为储锂点位;在锂的脱嵌过程中体积膨胀/收缩的机械应力较小,循环稳定性好。因此,多孔碳常常表现出比传统石墨碳更好的电化学性能。
多孔碳具有潜力在自支撑电极和集流体方面有所广泛应用。这是因为下一代锂离子电池的发展将朝着更高容量、更长使用寿命、更环保和更低成本的方向发展,就会要求集流体的电化学性能更加稳定、导电更好、更轻、更便宜,而且未来可穿戴设备也需要具有柔性结构的集流体。因此相对于金属集流体,纳米碳集流体有着更加广阔的前景。
锂硫电池是最有希望的替代锂电池的电化学能器件之一,优势在于其高理论比容量,接近 1672 mAh g-1,以及硫作为阴极材料的易得特性。然而,硫存在电极的体积膨胀、穿梭效应等问题,严重阻碍了电化学性能。为弱化这些缺点,结构的合理化设计显得尤为重要。近年来,富缺陷多孔碳材料被证明具有比杂原子掺杂碳材料更强的极性,能够有效地加速一系列的电化学反应。
氧还原反应 (ORR) 是许多电化学能量转换过程的基础,例如燃料电池、金属 - 空气电池等。目前最先进的 ORR 催化剂主要是贵金属。尽管其性能卓越,但由于储量低和价格昂贵,大规模应用仍然停滞不前。因此,寻找合适的替代品是重要的研究热点。碳纳米材料,特别是杂原子掺杂的碳纳米材料,由于其具有比表面积大、结构稳定、化学稳定性好、电导率高等优点,AG平台真人 真人AG 平台官网表现出优异的 ORR 性能。设计和制备分级多孔结构是提高催化活性的关键,微孔有利于大量的活性位点的暴露,而大孔和中孔有利于氧气和电解质的快速运输。杂原子掺杂,主要是氮掺杂和氧掺杂,掺杂量对导电性等都有显著影响,杂原子与碳原子的协同效应有利于提高反应性能。
多孔碳材料具有发达且易调控的孔隙结构、巨大的比表面积,以及较强的化学和热稳定性,同时对CO2的吸附容量大,AG平台真人 真人AG 平台官网原料来源广泛,成本相对低廉,尤其是在有水蒸汽的情况下使用多孔碳材料不但可以节省能耗,而且可以提升回收的CO2纯度。近年来,寻求生产用于CO2捕获的经济高效的吸附剂受到了极大的关注。生物质衍生多孔碳由于其优异的质地特性、可调节的孔隙率和低成本被认为是最优选的 CO2捕获吸附材料。包括固态活化在内的不同类型的活化过程在这些材料中具有适当的形态和其他物理化学性质,使它们能够作为有效的 CO2捕获吸附剂。
超级电容器具有高功率密度、使用寿命长、适用温度范围宽、安全可靠性高等特点,在汽车、轨道交通、电网及电力设备、仪器仪表和传感器、数码电子、智能家电、电动工具、通讯设备、工程机械、船舶、航天军工等领域具有广泛的应用,并高速增长。电极材料是超级电容器最关键的部件之一,其对电容性能具有重要的影响。由于多孔炭材料具有良好的物化稳定性、高比表面、可调的孔结构、优异的导电性、低成本、环保、资源丰富AG真人 AG平台等优点,是目前商用超级电容器主要电极材料。