中科院山西煤化所陳成猛團隊JMCA綜述：不同維度生物質衍生多孔碳材料在超級電容器電極方面的應用進展

背景介紹

發展具有良好生物相容性的下一代能源存儲裝置迫切需要開發具有高吸附性，快速離子/電子傳輸和表面化學可調的可再生，低成本且環境友好的電極材料。近年來，生物質衍生的炭電極材料由于其來源廣泛，可再生和低成本的優勢而在儲能領域引起了極大的關注。更重要的是，它們天然均勻且精確的生物結構為制備幾何形狀明確可控的電極材料提供了良好的模板。同時，生物質的基本組成元素是碳，硫，氮和磷，可在制備過程中實現自摻雜。這種特殊的天然有序分級結構以及生物質衍生炭材料的豐富表面化學性質使其與電化學反應過程具有很好的相容性，如在離子的轉移和擴散過程中。迄今為止，以生物質為原料采用不同方法已經制備了一系列具有不同維度的新型多孔碳材料，這已成為制備超級電容器電極材料的一個重要領域。

成果簡介

近日，中科院山西煤化所陳成猛團隊在國際期刊JMCA上發表了題為”Biomass-derived porous carbon materials with different dimensions for supercapacitor electrodes: a review” 的綜述文章（Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7: 16028–16045.）。該團隊前期分別以柳絮（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行氫氧化鎳生長獲得了復合電極（ChemElectroChem, 2018, 5, 1279–1287），這些生物質基炭材料應用在超級電容器中均取得了優異的電化學性能。基于此，作者在文中進一步重點梳理了近幾年不同維度的生物質衍生多孔炭及其作為超級電容器電極材料的研究進展，并總結了一維、二維、三維結構的生物質炭材料的結構特點及其在超級電容器中的應用優勢。最后，提出了當前生物質炭基電極材料在超級電容器應用過程中存在的挑戰和未來的發展前景。

圖文解讀

1. 超電工作機制

Fig 1 雙電層與贗電容工作機制

2. 一維生物質基炭材料

a) 138GPa的楊氏模量和2-3GPa的強度，這種優異的機械性能使其適合發展成為高強度自支撐的電極或隔膜材料

b) 表面豐富的反應性羥基基團利于材料的表面化學修飾，與高活性材料復合形成一維復合物電極材料

c) 一維結構高的縱橫比可組裝成為無粘結劑的且相互連接的網絡膜或襯底用于柔性儲能器件

d) 一維線性納米尺度通道結構提供直接的電流通道，促進電子的傳輸

2.1 纖維狀結構和中空管狀結構電極

Fig 2.

左圖，以納米纖維素前驅體為代表的一維納米纖維結構炭基材料；右圖，以中空木棉管前驅體為代表的一維中空管狀結構炭基材料。?

2.2 一維生物質炭基復合電極

Fig 3 用一維生物質炭基材料木棉管作模板與過渡金屬活性材料構建的木棉管/氧化鎳復合電極

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2.3一維生物質炭基柔性電極

Fig 4 以細菌纖維素為代表所構建的炭基柔性電極

3. 二維生物質基炭材料

a) 二維材料強的面內共價鍵賦予其高的面內電導率進而加快了電子在面內的傳輸速率

b) 二維層狀多孔結構具有原子級超薄厚度和大的橫向尺度，這可大大縮短離子在薄尺度上的傳輸距離

c) 大而開闊的二維平面結構可更充分地暴露炭層兩側的原子，這不僅提供了高的比表面積同時為電化學反應提供了豐富的電化學活性位點，這種結構可提供高的電極/電解液接觸界面與低的離子阻抗

d) 二維多孔碳材料豐富的表面邊緣和面內缺陷位點可有效提高材料的電荷存儲能力進而得到高的電容性能；此外，擁有層次孔結構的二維多孔碳納米片由于其內部相對自由的空間可有效緩沖因充放電循環過程中導致的體積變化，以實現長的循環壽命

Fig 5 以新鮮三葉草的莖為前驅體通過氯化鉀一步炭化法制備得到具有層次孔的多孔碳納米片

?4.?三維生物質基炭材料

對于能源存儲來說，材料的微觀結構在電極材料的電容存儲能力來說起著關鍵的作用。并且隨著維度的增加，可以最大程度的使材料的晶面暴露在電解液中，這樣可以有效地擴大有效比表面積，從而改善電極材料的電容性能。基于此，發展具有良好互連的小孔-大孔的3D微結構生物質基炭材料不僅能提供連續的電子通路以實現良好的電接觸，而且大大縮短了體相間的擴散路徑將有助于加速離子的擴散轉移。這對于設計更加高性能的電極材料是至關重要的。

Fig 6 不同生物質衍生的3D炭基納米結構

4.1 三維生物質基層次多孔炭

Fig 7 以KOH預處理的玉米殼為前驅體衍生的3D層次多孔炭材料

4.2 三維生物質基碳氣凝膠

Fig 8 高度多孔的甘蔗渣衍生的層次孔結構碳氣凝膠

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總結

該綜述系統梳理了近年來不同維度生物質基炭材料用作超級電容器電極材料的研究應用進展。重點總結了不同維度生物質衍生炭作為超級電容器電極材料時具有的獨特應用優勢及其儲能機制，并進一步以其為生物模板來進一步構筑先進復合電極和柔性電極的設計策略雖然近年來維度不同的生物質炭材料在高性能超級電容器的方面已取得了很大進展，但仍有一些問題需要在未來加以解決，作者在最后提出了未來生物質炭材料仍存在挑戰及發展方向。

文獻鏈接

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/ta/c9ta04436a

通訊作者及團隊介紹：

陳成猛，博士，研究員，中科院山西煤化所709課題組長，中科院炭材料重點實驗室副主任，中科院石墨烯工程實驗室副主任，山西省石墨烯技術工程研究中心副主任。兼任中國顆粒學會青年理事、中科院青促會會員、中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟理事、IEC/TC113和SAC/TC279標委會專家等職務。2006年本科畢業于中國礦業大學，2012年于中科院煤化所獲博士學位，2010-2011年在德國馬普學會Fritz Haber研究所學習。主要從事先進炭材料與器件研究工作，主持項目20余項，發表論文120余篇，他引5300余次，h因子33，授權專利22項，出版英文專著1部，主持制定國際和國家標準6項。榮獲山西省自然科學一等獎、天津市自然科學一等獎、中國產學研合作創新成果一等獎、侯德榜化工科技青年獎、中國顆粒學會青年顆粒學獎，入選《麻省理工科技評論》“35歲以下科技創新35人”、中科院北京分院“啟明星”優秀人才等稱號。陳成猛研究員帶頭的石墨烯與新能源材料研究團隊以石墨烯材料、新能源材料、功能材料和儲能器件為核心研發方向，堅持基礎研究和應用技術開發并重的協同發展模式，產學研結合，打造“原料-材料-器件-應用”創新鏈，已逐漸發展成為在相關領域具有先進技術水平的現代化專業團隊。

本文由畢志宏供稿。

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