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香港理工、山科大&广工大Mater. Chem. Front.:生物质废弃物一步固态热解合成超长寿命超级电容器多孔碳材料

【背景介绍】
多孔碳材料由于具有高比表面积、丰富的孔道结构和优异的化学稳定性而引起研究者的广泛关注。然而开发一种通用的简易的多孔碳合成方法仍然存在挑战。同时,实现废弃物的绿色循环利用,进而得到高附加值产品是解决环境污染和资源短缺的有效手段。
【成果简介】
近日,香港理工大学黄维扬教授与山东科技大学付民、广东工业大学黄锦涛和温州大学钱鹏程等人合作,开发了一种通用、简便的一步固态热解法,合成了一系列的分级多孔碳材料。该方法以常见的生物质废弃物为碳源,以高铁酸钾作为造孔剂,一步即可制备出分级多孔碳材料(图1)。与传统的两步或多步法相比,此法简便快捷、成本低、污染少,具有潜在的工业应用前景。研究成果以题为“One-step solid-state pyrolysis of bio-wastes to synthesize multi-hierarchical porous carbon for ultra-long life supercapacitors”发表在国际著名期刊Materials Chemistry Frontiers上。
【图文导读】
图1:生物质多孔碳材料的合成及电荷传输示意图。
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研究结果表明,采用此法合成的多孔碳材料具有丰富的孔道结构、均匀的元素分布、良好的结晶性和高比表面积(图2)。
图2生物质多孔碳材料的SEM, TEM, XRD, 氮气吸附脱附曲线和XPS表征。
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(a-b)茶叶渣的SEM;
(c-e)茶叶渣衍生碳的SEM;
(f)茶叶渣衍生碳的EDS;
(g)茶叶渣衍生碳的TEM;
(h)茶叶渣衍生碳的XRD;
(i, j)茶叶渣衍生碳的氮气吸附脱附曲线;
(k)茶叶渣衍生碳的XPS。
将所合成的多孔碳材料组装成对称超级电容器,在1 A g-1的电流密度下可获得291.2 F g-1比电容,10 A g-1的电流密度下仍可获得240.1 F g-1的比电容。更重要的是,经过10万圈循环后,电容保持率高达93.2%,表现出非常优异的循环性能(图3)。深入探究了其优异循环性能的原因。
此外,采用5种不同的生物质废弃物(虾壳、板栗壳、羊骨、柚皮、花生壳)探究了此方法的普适性。
图3超级电容器的电容性能。
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(a)茶叶渣衍生碳电极的CV;
(b)茶叶渣衍生碳电极的EIS;
(c)超级电容器的GCD;
(d)超级电容器的比电容;
(e)超级电容器的循环性能和库伦效率;
(f)超级电容器的拉贡图。
【小结】
综上所述,作者通过通用、简便的一步固态热解法,合成了一系列的分级多孔碳材料。这项工作为简便、快速、绿色的处理生物质废弃物和合成多孔碳材料提供了一条可行的途径,为资源的高效利用和分级多孔碳材料的合理设计提供了新思路,这对当今自然资源日益紧缺的社会具有重要意义。
文献链接:
One-step solid-state pyrolysis of bio-wastes to synthesize multi-hierarchical porous carbon for ultra-long life supercapacitorsMin Fu, Jintao Huang*, Simin Feng, Tianyi Zhang, Peng-Cheng Qian* and Wai-Yeung Wong*Mater. Chem. Front., DOI:https://doi.org/10.1039/D0QM00960A
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