中国海洋大学ACS Nano: 冷冻条件下生物诱导矿化制备高性能储钾多孔碳材料

研究背景：

碳材料作为储能器件中重要的电极材料，一直是研究热点之一。其中，多孔碳材料具有复杂的层次性结构，是钠、钾离子电池负极材料的理想选择。因此，寻找简便、可控的多孔碳制备方法一直是科学家们的重要任务。

生物矿化（BM）是一种制备形状多样、大小可控、形态多样的新型材料的有效方法，主要是利用特定的生物分子将无机物组装成矿物的简单过程。目前，从天然矿物（二氧化硅、羟基磷灰石、碳酸钙）到纳米材料（TiO₂、Fe₃O₄、ZnO等），这些常见的材料构建了复杂的矿化结构，这是其他人工方法难以制备的。生物矿化方法制备的产物不仅与天然生物质具有相似的孔隙度和层次结构，而且在很大程度上结构也更加相对均一。

成果简介：

今日，中国海洋大学柳伟教授课题组用碳酸氢钠和甲基纤维素合成了新型的有机-无机矿化前驱体。在合成过程中采用冷冻方法加快矿化分子的形成，从而作为一种改进的BM方法来制备纳米材料。在此基础上，通过对矿化分子的碳化和无机盐的去除，得到了由多个相互连接的空心碳囊泡组装而成的形似羽翼状多孔碳纳米片（WPCSs）。结果表明，WPCSs具有较好的钾离子存储性能。作为一个新的领域，相信在未来探索先进功能材料的道路上，冻结条件下的生物矿化将给我们带来更多的惊喜。

该成果以题为“Bioinspired Mineralization under Freezing Conditions: An Approach to Fabricate Porous Carbons with Complicated Architecture and Superior K+ Storage Performance”发表在ACS Nano上，第一作者为崔永朋博士，通讯作者为柳伟教授。论文链接：DOI: 10.1021/acsnano.9b05284

图文简介：

图一：（a）WPCS的制备过程。（b）WPCS前驱体的SEM图片。（c-d）WPCS的SEM图片。（e）WPCS的TEM图片。

图二：（a）冷冻条件下制备的碳酸氢钠纳米晶的SEM图片。WPCS前驱体的（b-c）SEM和（d-f）图片。（g-i）WPCS前驱体碳化后未除去碳酸氢钠纳米晶的SEM和TEM图片。（j） 碳酸氢钠纳米晶在纤维素中诱导矿化示意图。

图三：（a-b）WPCS的高分辨TEM图片。（c-e）WPCS的XRD，Raman，XPS分析。(f)TEM mapping中碳和氧元素的分布。（g-h）WPCS石墨结构示意图。（i）WPCS的氮气吸脱附曲线和孔径分布。

图四：WPCS电极材料的电化学性能测试以及电容贡献占比的计算。

图五：钾离子在WPCS电极中的扩散过程分析。（a-b）WPCS电极在初始状态和完全放电状态下的XPS元素分析。（c-d）WPCS电极材料的GITT测试和内阻分析。（e）WPCS电极中钾离子嵌入过程示意图。

图六：组装的WPCS//WPCS钾离子混合电容器的电化学性能测试。

本文由中国海洋大学柳伟教授课题组供稿。

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