中科院山西煤化所陈成猛团队JMCA综述：不同维度生物质衍生多孔碳材料在超级电容器电极方面的应用进展

背景介绍

发展具有良好生物相容性的下一代能源存储装置迫切需要开发具有高吸附性，快速离子/电子传输和表面化学可调的可再生，低成本且环境友好的电极材料。近年来，生物质衍生的炭电极材料由于其来源广泛，可再生和低成本的优势而在储能领域引起了极大的关注。更重要的是，它们天然均匀且精确的生物结构为制备几何形状明确可控的电极材料提供了良好的模板。同时，生物质的基本组成元素是碳，硫，氮和磷，可在制备过程中实现自掺杂。这种特殊的天然有序分级结构以及生物质衍生炭材料的丰富表面化学性质使其与电化学反应过程具有很好的相容性，如在离子的转移和扩散过程中。迄今为止，以生物质为原料采用不同方法已经制备了一系列具有不同维度的新型多孔碳材料，这已成为制备超级电容器电极材料的一个重要领域。

成果简介

近日，中科院山西煤化所陈成猛团队在国际期刊JMCA上发表了题为”Biomass-derived porous carbon materials with different dimensions for supercapacitor electrodes: a review” 的综述文章（Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7: 16028–16045.）。该团队前期分别以柳絮（JMCA. 2016, 4, 1637-1646）、木棉（Sustainable Energy Fuels, 2018,2, 455-465）、以及中空碳微管为模板进行氢氧化镍生长获得了复合电极（ChemElectroChem, 2018, 5, 1279–1287），这些生物质基炭材料应用在超级电容器中均取得了优异的电化学性能。基于此，作者在文中进一步重点梳理了近几年不同维度的生物质衍生多孔炭及其作为超级电容器电极材料的研究进展，并总结了一维、二维、三维结构的生物质炭材料的结构特点及其在超级电容器中的应用优势。最后，提出了当前生物质炭基电极材料在超级电容器应用过程中存在的挑战和未来的发展前景。

图文解读

1. 超电工作机制

Fig 1 双电层与赝电容工作机制

2. 一维生物质基炭材料

a) 138GPa的杨氏模量和2-3GPa的强度，这种优异的机械性能使其适合发展成为高强度自支撑的电极或隔膜材料

b) 表面丰富的反应性羟基基团利于材料的表面化学修饰，与高活性材料复合形成一维复合物电极材料

c) 一维结构高的纵横比可组装成为无粘结剂的且相互连接的网络膜或衬底用于柔性储能器件

d) 一维线性纳米尺度通道结构提供直接的电流通道，促进电子的传输

2.1 纤维状结构和中空管状结构电极

Fig 2.

左图，以纳米纤维素前驱体为代表的一维纳米纤维结构炭基材料；右图，以中空木棉管前驱体为代表的一维中空管状结构炭基材料。 

2.2 一维生物质炭基复合电极

Fig 3 用一维生物质炭基材料木棉管作模板与过渡金属活性材料构建的木棉管/氧化镍复合电极

2.3一维生物质炭基柔性电极

Fig 4 以细菌纤维素为代表所构建的炭基柔性电极

3. 二维生物质基炭材料

a) 二维材料强的面内共价键赋予其高的面内电导率进而加快了电子在面内的传输速率

b) 二维层状多孔结构具有原子级超薄厚度和大的横向尺度，这可大大缩短离子在薄尺度上的传输距离

c) 大而开阔的二维平面结构可更充分地暴露炭层两侧的原子，这不仅提供了高的比表面积同时为电化学反应提供了丰富的电化学活性位点，这种结构可提供高的电极/电解液接触界面与低的离子阻抗

d) 二维多孔碳材料丰富的表面边缘和面内缺陷位点可有效提高材料的电荷存储能力进而得到高的电容性能；此外，拥有层次孔结构的二维多孔碳纳米片由于其内部相对自由的空间可有效缓冲因充放电循环过程中导致的体积变化，以实现长的循环寿命

Fig 5 以新鲜三叶草的茎为前驱体通过氯化钾一步炭化法制备得到具有层次孔的多孔碳纳米片

 4. 三维生物质基炭材料

对于能源存储来说，材料的微观结构在电极材料的电容存储能力来说起着关键的作用。并且随着维度的增加，可以最大程度的使材料的晶面暴露在电解液中，这样可以有效地扩大有效比表面积，从而改善电极材料的电容性能。基于此，发展具有良好互连的小孔-大孔的3D微结构生物质基炭材料不仅能提供连续的电子通路以实现良好的电接触，而且大大缩短了体相间的扩散路径将有助于加速离子的扩散转移。这对于设计更加高性能的电极材料是至关重要的。

Fig 6 不同生物质衍生的3D炭基纳米结构

4.1 三维生物质基层次多孔炭

Fig 7 以KOH预处理的玉米壳为前驱体衍生的3D层次多孔炭材料

4.2 三维生物质基碳气凝胶

Fig 8 高度多孔的甘蔗渣衍生的层次孔结构碳气凝胶

总结

该综述系统梳理了近年来不同维度生物质基炭材料用作超级电容器电极材料的研究应用进展。重点总结了不同维度生物质衍生炭作为超级电容器电极材料时具有的独特应用优势及其储能机制，并进一步以其为生物模板来进一步构筑先进复合电极和柔性电极的设计策略虽然近年来维度不同的生物质炭材料在高性能超级电容器的方面已取得了很大进展，但仍有一些问题需要在未来加以解决，作者在最后提出了未来生物质炭材料仍存在挑战及发展方向。

文献链接

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

通讯作者及团队介绍：

陈成猛，博士，研究员，中科院山西煤化所709课题组长，中科院炭材料重点实验室副主任，中科院石墨烯工程实验室副主任，山西省石墨烯技术工程研究中心副主任。兼任中国颗粒学会青年理事、中科院青促会会员、中国石墨烯产业技术创新战略联盟理事、IEC/TC113和SAC/TC279标委会专家等职务。2006年本科毕业于中国矿业大学，2012年于中科院煤化所获博士学位，2010-2011年在德国马普学会Fritz Haber研究所学习。主要从事先进炭材料与器件研究工作，主持项目20余项，发表论文120余篇，他引5300余次，h因子33，授权专利22项，出版英文专著1部，主持制定国际和国家标准6项。荣获山西省自然科学一等奖、天津市自然科学一等奖、中国产学研合作创新成果一等奖、侯德榜化工科技青年奖、中国颗粒学会青年颗粒学奖，入选《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”、中科院北京分院“启明星”优秀人才等称号。陈成猛研究员带头的石墨烯与新能源材料研究团队以石墨烯材料、新能源材料、功能材料和储能器件为核心研发方向，坚持基础研究和应用技术开发并重的协同发展模式，产学研结合，打造“原料-材料-器件-应用”创新链，已逐渐发展成为在相关领域具有先进技术水平的现代化专业团队。

本文由毕志宏供稿。

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