多孔碳納米片助力高容量超級(jí)電容器

【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(kāi)發(fā)可再生的清潔能源和與之匹配的能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化器件。在電化學(xué)儲(chǔ)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(jí)電容器等儲(chǔ)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(duì)碳基超級(jí)電容器的能量密度和功率密度有強(qiáng)烈的影響，已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

【成果簡(jiǎn)介】

近期，揚(yáng)州大學(xué)侯建華博士團(tuán)隊(duì)報(bào)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(chǔ)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(guó)化學(xué)會(huì)(Chemical Engineering News)以“Popcorn’s perfect pores(爆米花的完美孔)”為題發(fā)布新聞報(bào)告。作者侯建華博士表示：此項(xiàng)工作的靈感來(lái)自于女兒吃爆米花時(shí)的提問(wèn)：為什么爆米花會(huì)如此的香脆?這使侯建華博士開(kāi)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(guò)微波的“內(nèi)加熱”機(jī)制及其快速升溫引發(fā)的“膨化效應(yīng)”用時(shí)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(jì)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(cè)試以PCF-X為電極材料的超級(jí)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?dú)w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(dá)3301 m2·g-1)為電化學(xué)反應(yīng)提供大量的活性位點(diǎn);(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(dá)到1550 m2 g-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(guò)程大大增加了比容量(在電流密度為10 A·g-1時(shí)容量可達(dá)311 F·g-1)。此外， PCF-X低的孔體積和高比表面積極大地增強(qiáng)了體積能量密度(103 Wh·kg-1)，表明微孔主導(dǎo)的材料在超級(jí)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(jí)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(jí)電容器性能表現(xiàn)

【小結(jié)】

該課題組的工作報(bào)道了利用一種綠色、簡(jiǎn)易、快速的方法，成功設(shè)計(jì)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(guò)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(xiàng)工作拓寬了認(rèn)識(shí)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(jí)電容器中，提高了超級(jí)電容器等儲(chǔ)能物質(zhì)的實(shí)際應(yīng)用潛力。