揭示氧化石墨烯在包覆淀粉抑制其泡沫化中發揮的雙重作用機制及其鋰離子電池應用

【引言】

以生物質基炭材料為代表的鋰離子電池負極材料因成本低廉、來源廣泛、綠色環保等優點受到了科研與產業界的廣泛關注。淀粉作為一種生物質基高分子聚合物，具有低灰分、類球形結構、孔結構易調控等優點，是一種理想的儲能炭材料前驅體。然而，淀粉直接炭化存在熱穩定性差、易糊化等問題，導致其從有機質向無機質演變過程中產生大量揮發分，從而使炭收率偏低。同時，揮發分的急劇逸導致淀粉本身類球形結構的破壞，從而失去其作為生物質基炭材料前驅體的優勢。

【成果簡介】

近日，中國科學院山西煤炭化學研究所陳成猛研究員與太原理工大學劉一鳴研究員等合作報道了一種用氧化石墨烯包覆淀粉抑制其泡沫化的同時，可控構筑炭微球的研究，并將炭微球應用于鋰離子電池負極。與未包覆的淀粉相比，處理后的淀粉衍生炭不僅提高了炭收率，同時實現了電化學性能的提升。作者結合TG-MS、PY-GC-MS等原位熱化學分析技術，深入解析熱處理過程中氣液固三相產物，揭示了在熱處理過程中氧化石墨烯抑制淀粉泡沫化的機制以及分子轉變路徑。氧化石墨烯的引入顯著促進了淀粉的脫水，有利于后續炭化過程的進行。與此同時，氧化石墨烯物理限域誘導了揮發分組分的二次重構，最終實現了高炭含量炭微球的可控構筑。并通過XRD、拉曼、BET等表征明確了材料的結構，建立了其結構與電化學性能之間的構效關系。該成果以題為“Mechanistic insights into Dual function of Graphene Oxide in Inhibiting Starch Foaming to Prepare Porous Carbon for Lithium Storage“在Applied?Surface Science期刊上發表，文章第一作者為太原理工大學碩士研究生賈曉陽。

【圖文導讀】

圖1. 氧化石墨烯包覆淀粉設計思路及工藝流程示意圖。

圖2. 淀粉（a）及GO包覆淀粉（b）前驅體的SEM圖像；淀粉（c）及GO包覆淀粉（d）炭化產物的SEM圖像與GO包覆淀粉的TEM圖像。

圖3. 面向熱處理過程的表征，淀粉的TG-MS表征（a-c）與DSC曲線（d），以及排除了化學作用的中間樣品的TG-MS表征（e-f）。

圖4. 淀粉與GO包覆淀粉在熱處理過程中的分子演變路徑圖。

圖5. 不同包覆比例下，前驅體的紅外光譜（a）、炭化產物的XPS（b）、XRD（c）、拉曼光譜（d）、氮氣吸脫附曲線（e）以及孔徑分布（f）。

圖6. 不同包覆比例制得炭材料的首次充放電曲線（a）、CV曲線（b）、倍率性能（c）及循環性能（d）。

【結論】

綜上所述，作者揭示了氧化石墨烯在熱處理過程中抑制淀粉發生泡沫化發揮的雙重作用機理，化學上的脫水作用和物理上的阻隔作用共同實現了這一過程。并結合該材料的鋰離子存儲行為，豐富了微孔儲鋰機制的內涵。

Xiao-Yang Jia, Zong-Lin Yi, Ran Xu, Wang-Gang Zhang, Ai-Li Wei, Li-Jing Xie, Guo-Hua Sun, Yi-Ming Liu, Cheng-Meng Chen,?Mechanistic insights into Dual function of Graphene Oxide in Preparing Starch-derived Amorphous Carbon for Lithium Storage, Applied Surface Science, 2023.

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.157371