香港理工、山科大&廣工大Mater. Chem. Front.：生物質廢棄物一步固態熱解合成超長壽命超級電容器多孔碳材料

背景介紹

多孔碳材料由于具有高比表面積、豐富的孔道結構和優異的化學穩定性而引起研究者的廣泛關注。然而開發一種通用的簡易的多孔碳合成方法仍然存在挑戰。同時，實現廢棄物的綠色循環利用，進而得到高附加值產品是解決環境污染和資源短缺的有效手段。

成果簡介

近日，香港理工大學黃維揚教授與山東科技大學付民、廣東工業大學黃錦濤和溫州大學錢鵬程等人合作，開發了一種通用、簡便的一步固態熱解法，合成了一系列的分級多孔碳材料。該方法以常見的生物質廢棄物為碳源，以高鐵酸鉀作為造孔劑，一步即可制備出分級多孔碳材料（圖1）。與傳統的兩步或多步法相比，此法簡便快捷、成本低、污染少，具有潛在的工業應用前景。研究成果以題為“One-step solid-state pyrolysis of bio-wastes to synthesize multi-hierarchical porous carbon for ultra-long life supercapacitors”發表在國際著名期刊Materials Chemistry Frontiers上。

圖文導讀

圖1：生物質多孔碳材料的合成及電荷傳輸示意圖。

研究結果表明，采用此法合成的多孔碳材料具有豐富的孔道結構、均勻的元素分布、良好的結晶性和高比表面積（圖2）。

圖2：生物質多孔碳材料的SEM, TEM, XRD, 氮氣吸附脫附曲線和XPS表征。

（a-b）茶葉渣的SEM；

（c-e）茶葉渣衍生碳的SEM；

（f）茶葉渣衍生碳的EDS；

（g）茶葉渣衍生碳的TEM；

（h）茶葉渣衍生碳的XRD；

（i, j）茶葉渣衍生碳的氮氣吸附脫附曲線；

（k）茶葉渣衍生碳的XPS。

將所合成的多孔碳材料組裝成對稱超級電容器，在1 A g^-1的電流密度下可獲得291.2 F g^-1比電容，10 A g^-1的電流密度下仍可獲得240.1 F g^-1的比電容。更重要的是，經過10萬圈循環后，電容保持率高達93.2%，表現出非常優異的循環性能（圖3）。深入探究了其優異循環性能的原因。

此外，采用5種不同的生物質廢棄物（蝦殼、板栗殼、羊骨、柚皮、花生殼）探究了此方法的普適性。

圖3：超級電容器的電容性能。

（a）茶葉渣衍生碳電極的CV；

（b）茶葉渣衍生碳電極的EIS；

（c）超級電容器的GCD；

（d）超級電容器的比電容；

（e）超級電容器的循環性能和庫倫效率；

（f）超級電容器的拉貢圖。

小結

綜上所述，作者通過通用、簡便的一步固態熱解法，合成了一系列的分級多孔碳材料。這項工作為簡便、快速、綠色的處理生物質廢棄物和合成多孔碳材料提供了一條可行的途徑，為資源的高效利用和分級多孔碳材料的合理設計提供了新思路，這對當今自然資源日益緊缺的社會具有重要意義。

文獻鏈接：

One-step solid-state pyrolysis of bio-wastes to synthesize multi-hierarchical porous carbon for ultra-long life supercapacitorsMin Fu, Jintao Huang*, Simin Feng, Tianyi Zhang, Peng-Cheng Qian* and Wai-Yeung Wong*Mater. Chem. Front., DOI：https://doi.org/10.1039/D0QM00960A

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