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。

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。

（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。

（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