【引言】

傳統(tǒng)化石燃料如煤、石油、天然氣的日益耗竭，迫使人們開發(fā)可再生的清潔能源和與之匹配的能量存儲與轉(zhuǎn)化器件。在電化學(xué)儲能器件中，電極材料是影響其性能的關(guān)鍵因素。多孔碳材料因其可控的表面積、多維復(fù)雜的孔道結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電性和較低的成本，已成為目前最廣泛使用的電極材料。碳材料的比表面積(SSA)、微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分是影響超級電容器等儲能器件性能至關(guān)重要的因素。特別是納米孔道的尺寸和幾何形狀的可控合成，由于其對碳基超級電容器的能量密度和功率密度有強烈的影響，已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點。

【成果簡介】

近期，揚州大學(xué)侯建華博士團隊報道了從生物質(zhì)玉米中獲得的爆米花衍生多孔碳納米片(PCF-X)能極大地提高電化學(xué)儲能器件性能。這一重要研究成果在ACS Applied materials & Interfaces上全文發(fā)表了題為“Popcorn-Derived Porous Carbon Flakes with an Ultrahigh Specific Surface Area for Superior Performance Supercapacitors”的學(xué)術(shù)論文，并受到美國化學(xué)會(Chemical & Engineering News)以“Popcorn’s perfect pores(爆米花的完美孔)”為題發(fā)布新聞報告。作者侯建華博士表示：此項工作的靈感來自于女兒吃爆米花時的提問：為什么爆米花會如此的香脆?這使侯建華博士開始思考從玉米到爆米花微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生怎樣的變化。

研究人員以玉米為原料，通過微波的“內(nèi)加熱”機制及其快速升溫引發(fā)的“膨化效應(yīng)”用時2分鐘，再持續(xù)微波8分鐘預(yù)碳化后獲得蜂窩狀宏觀結(jié)構(gòu)的碳材料，再結(jié)合堿活化法，成功設(shè)計出一種完全微孔為主導(dǎo)的超高比表面積的多孔碳納米片。在水系電解液(如圖4)和離子液體電解液(如圖5)中分別測試以PCF-X為電極材料的超級電容器性能，獲得了生物質(zhì)碳材料中最高的能量密度和極好的倍率性能。這主要歸功于以下特征：(1)PCF-X超高的比表面積(如PCF-900的比表面積高達3301 m2·g-1)為電化學(xué)反應(yīng)提供大量的活性位點;(2)高微孔比例(PCF-900微孔表面積占總比表面積的95%，尤其是的極微孔(<1 nm)表面積達到1550 m2g-1，并且存在尺寸為0.69 nm的最優(yōu)孔)，因其“微孔效應(yīng)”引起的離子“去溶劑化”過程大大增加了比容量(在電流密度為10 A·g-1時容量可達311 F·g-1)。此外， PCF-X低的孔體積和高比表面積極大地增強了體積能量密度(103 Wh·kg-1)，表明微孔主導(dǎo)的材料在超級電容器中具有巨大的應(yīng)用潛力。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 PCFs的合成流程圖

圖2 爆米花、PCF和PCF-900的微觀形貌表征

圖3 PCF-X的結(jié)構(gòu)表征

圖4 PCF-X在兩電極體系以6 M KOH為電解液的超級電容器性能表現(xiàn)

圖5 PCF-X在兩電極體系以EMIMBF4為電解液的超級電容器性能表現(xiàn)

【小結(jié)】

該課題組的工作報道了利用一種綠色、簡易、快速的方法，成功設(shè)計出一種微孔為主導(dǎo)的多孔碳納米片(PCF-X)。制備得的PCF-X具有高的極微孔表面積(~1550 m2·g-1)，因其“微孔效應(yīng)”引起的離子“去溶劑化”過程大大增加了比容量，也獲得在已有研究的生物質(zhì)碳材料中最高的能量密度。這項工作拓寬了認識碳的納米孔道的尺寸和幾何形狀的可控合成思路，表明微孔主導(dǎo)的碳材料也非常適合應(yīng)用于超級電容器中，提高了超級電容器等儲能物質(zhì)的實際應(yīng)用潛力。