龚佑宁最新Green Chemistry论文：生物质石墨化多孔碳材料的制备及其储能性能研究取得进展

【引言】

随着人类社会的发展和人口的快速增多，资源和能源的消耗需求量越来越大，环境问题也日益严重。清洁可再生新能源的开发和新型储能技术的应用是解决未来能源问题的可行方案，寻求合适的储能器件和高效的储能系统成为至关重要的一个研究方向。超级电容器作为一种新型绿色的储能装置，具有充电时间短、功率密度高、使用寿命长、温度特性好和安全环保等优点，在移动通讯、电子信息、电动汽车、航空航天和国防科技等方面均具有非常重要和广阔的应用前景。

电极材料作为超级电容器的重要组成部分，其结构、组成和性质直接决定了超级电容器的种类和整体性能。在目前常见的电极材料中，碳材料因其较高的比表面积，良好的导电性，高的化学稳定性以及价格低廉、来源丰富等特点被广泛用作超级电容器的电极材料。影响碳基电极材料电化学性能的主要因素有：比表面积、孔径、导电性和表面性质等；开发高比表面积、高孔隙率、高导电率、高纯度和高性价比的新型碳基电极材料是目前超级电容器的研发重点。

众所周知，可再生的天然生物质资源因其丰富的碳含量为碳材料未来的发展和应用提供了充足的原料来源。作为新陈代谢和天然生物竞争的必然结果，生物质内部往往具有自然优化的多通道结构以供离子和水分的吸收和传输。一般来说，以生物质为原料制备多孔碳材料的方法主要以化学活化为主，即利用氢氧化钾、钾的碳酸盐或氯化锌等活化剂对原材料进行活化造孔。但该方法得到的多孔碳以非晶结构为主，导电性差，实际应用时还需对其进行石墨化处理，以提高其电导性能。目前，进行石墨化的催化剂主要以铁盐为主，如三氯化铁、铁氰化钾等。然而上述活化剂和催化剂多为具有强腐蚀性或毒性的物质，会造成生产设备的腐蚀和环境的破坏。因此亟待开发一种简单快速、绿色高效的制备方法，实现生物质碳材料的多孔化和石墨化处理。

【成果简介】

近日，武汉大学物理科学与技术学院潘春旭教授课题组的博士生龚佑宁等提出了一种生物质石墨化多孔碳材料的新制备方法。相关工作发表在英国皇家化学学会旗下杂志《Green Chemistry》（影响因子IF：9.12）上，题为“Highly porous graphiticbiomass carbon as advanced electrode materials for supercapacitors”。并申报了发明专利。

本工作中，他们提出了“一步法”的方案，即采用高铁酸钾（K2FeO4）作为造孔剂/催化剂，同步完成生物质碳的多孔化和石墨化处理，实现生物质石墨化多孔碳材料的快速、绿色、高效制备。该方法具有耗时少、步骤简单、绿色环保等特点。

利用一步法制备的生物质石墨化多孔碳材料具有以微孔为主的多孔结构和大的比表面积（1732 m2/g），以及较高的石墨化程度。将其作为超级电容器电极材料进行测试，结果表明：1）三电极体系下（电解液为6M KOH），该电极能在0.5 A/g的电流密度下提供222.0 F/g的电容量，并具有优异的倍率性能和较低的阻抗；2）以该电极组装的固态对称电容器（电解质为KOH/PVA），具有良好的能量-功率输出性能，能在100.2 W/kg的功率密度下提供6.68 Wh/kg的能量密度，并在10 kW/kg时输出3.33 Wh/kg；3）以该电极组装的扣式对称电容器（EMIM TFSI作为电解液，电压窗口为3.0 V），能在12 kW/kg的功率密度下输出20.6 Wh/kg的能量密度，进一步地突出了该材料的实际应用潜力。

【图文导读】

图1 生物质石墨化多孔碳材料的形貌表征结果

图2 生物质石墨化多孔碳材料的结构表征结果

图3 三电极体系的电化学测试结果

图4 固态对称电容器的电化学测试结果

图5 扣式对称电容器的能量密度与功率密度图

【文章链接】

      Y. Gong, D. Li, C. Luo, Q. Fu and C. Pan,Highly porous graphitic biomass carbon as advanced electrode materials forsupercapacitors, Green Chem., 2017, DOI: 10.1039/C7GC01681F.