西南大学李长明团队Adv. Energy Mater.: 化学法剥离生物质制备多孔类石墨烯碳材料用于高性能超级电容器

【引言】

二维材料，如石墨烯，由于其低维度的结构可以缩短离子扩散距离和在电化学反应中提供快速的电子传递，近年来备受研究者的关注。 活性碳材料具有独特的物理性质，并且成本低廉，但是传统的制备过程容易造成材料板结和孔堵塞，大大降低了其在电化学器件中的离子/电子传输能力，导电性和材料利用率。

【成果简介】

近日，西南大学材料与能源学部李长明教授（通讯作者）等人使用化学法剥离生物质，制备了多孔类石墨烯碳材料，并对不同预处理剂的作用机理进行了研究和探讨，相关成果在Adv. Energy Mater.发表，题目为“Chemically exfoliate biomass into a graphene-like porous active carbon with rational pore structure, good conductivity and large surface area for high performance supercapactiors”。通过化学预处理生物质，高温碳化的方法制备出具有合理孔结构，良好导电性和高比表面积的类石墨烯活性碳材料。该类石墨烯碳材料展现出超高的双电层比电容 (340 F g^-1) 以及高的能量密度 (23.33 到 16.67 Wh Kg^-1)，优于目前报道的碳材料（包括石墨烯），并且具有优异的倍率性能和循环稳定性，表现出极大的实际应用潜质。

【图文导读】

图1 不同化学处理前驱体及对应活性炭材料的SEM图

(a₁,a₂) H₂O前处理的生物质及其碳材料的扫描电镜图；

(b₁,b₂) H₂O₂前处理的生物质及其碳材料的扫描电镜图；

(c₁,c₂) HAc前处理的生物质及其碳材料的扫描电镜图；

(d₁,d₂）H₂O₂-HAc前处理的生物质及其碳材料的扫描电镜图。

图2 不同前处理过程所得碳材料比表面、孔径及其前驱体红外光谱

(a,b) 不同前处理过程所得碳材料的BET和孔径分布图；

(c) 不同前处理过程所得前驱体的红外吸收光谱。

图3 碳材料的XRD和拉曼光谱

（a）不同前处理所得碳材料的XRD；

（b）不同前处理所得碳材料的拉曼光谱；

（c）不同前处理所得碳材料的I_G/I_D。

图4 不同前处理所得碳材料的XPS光谱图

(a-d) 不同前处理所得碳材料的C1s XPS光谱；

(e,f) C-H₂O₂/HAc的N1s和S2p XPS 光谱。

图5 不同前处理所得碳材料的电化学性能测试

不同前处理所得碳材料的（a）CV图；（b）充放电曲线；（c）电化学阻抗谱；（d）倍率性能 ；（e）多孔类石墨烯碳材料的循环曲线。

图6 不同前处理过程机理图

图7 多孔类石墨烯碳材料组装的对称电容器性能图

多孔类石墨烯碳材料组装的对称电容器(a) CV曲线；(b) Ragone 图；(c) 循环性能图，插图为万用表测量的开路电压和点亮LED灯泡的光学照片。

【小结】

该工作通过不同的预处理剂巧妙的调控了生物质的纳米孔结构和层状结构，并对不同的处理机制进行了详细的研究。研究发现通过对介孔和大孔的合理设计，能使介孔和大孔与材料中的微孔相关联，共同构成快速的离子传输通道，从而提高了材料的导电性和利用率。该工作对于制备多孔并具有良好导电性的生物质（生物废料）碳材料在能源储存和能源转换中的应用具有指导意义。

论文链接：Chemically Exfoliating Biomass into a Graphene-like Porous Active Carbon with Rational Pore Structure, Good Conductivity, and Large Surface Area for High-Performance Supercapacitors(Adv. Energy Mater. 2017, DOI: doi.org/10.1002/aenm.201702545).

该研究得到了国家“千人计划”、国家973计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费和重庆市洁净能源与技术重点实验室相关项目的资助。

本文由西南大学李长明教授团队提供，特此感谢。

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