揭示氧化石墨烯在包覆淀粉抑制其泡沫化中发挥的双重作用机制及其锂离子电池应用

【引言】

以生物质基炭材料为代表的锂离子电池负极材料因成本低廉、来源广泛、绿色环保等优点受到了科研与产业界的广泛关注。淀粉作为一种生物质基高分子聚合物，具有低灰分、类球形结构、孔结构易调控等优点，是一种理想的储能炭材料前驱体。然而，淀粉直接炭化存在热稳定性差、易糊化等问题，导致其从有机质向无机质演变过程中产生大量挥发分，从而使炭收率偏低。同时，挥发分的急剧逸导致淀粉本身类球形结构的破坏，从而失去其作为生物质基炭材料前驱体的优势。

【成果简介】

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛研究员与太原理工大学刘一鸣研究员等合作报道了一种用氧化石墨烯包覆淀粉抑制其泡沫化的同时，可控构筑炭微球的研究，并将炭微球应用于锂离子电池负极。与未包覆的淀粉相比，处理后的淀粉衍生炭不仅提高了炭收率，同时实现了电化学性能的提升。作者结合TG-MS、PY-GC-MS等原位热化学分析技术，深入解析热处理过程中气液固三相产物，揭示了在热处理过程中氧化石墨烯抑制淀粉泡沫化的机制以及分子转变路径。氧化石墨烯的引入显著促进了淀粉的脱水，有利于后续炭化过程的进行。与此同时，氧化石墨烯物理限域诱导了挥发分组分的二次重构，最终实现了高炭含量炭微球的可控构筑。并通过XRD、拉曼、BET等表征明确了材料的结构，建立了其结构与电化学性能之间的构效关系。该成果以题为“Mechanistic insights into Dual function of Graphene Oxide in Inhibiting Starch Foaming to Prepare Porous Carbon for Lithium Storage“在Applied Surface Science期刊上发表，文章第一作者为太原理工大学硕士研究生贾晓阳。

【图文导读】

图1. 氧化石墨烯包覆淀粉设计思路及工艺流程示意图。

图2. 淀粉（a）及GO包覆淀粉（b）前驱体的SEM图像；淀粉（c）及GO包覆淀粉（d）炭化产物的SEM图像与GO包覆淀粉的TEM图像。

图3. 面向热处理过程的表征，淀粉的TG-MS表征（a-c）与DSC曲线（d），以及排除了化学作用的中间样品的TG-MS表征（e-f）。

图4. 淀粉与GO包覆淀粉在热处理过程中的分子演变路径图。

图5. 不同包覆比例下，前驱体的红外光谱（a）、炭化产物的XPS（b）、XRD（c）、拉曼光谱（d）、氮气吸脱附曲线（e）以及孔径分布（f）。

图6. 不同包覆比例制得炭材料的首次充放电曲线（a）、CV曲线（b）、倍率性能（c）及循环性能（d）。

【结论】

综上所述，作者揭示了氧化石墨烯在热处理过程中抑制淀粉发生泡沫化发挥的双重作用机理，化学上的脱水作用和物理上的阻隔作用共同实现了这一过程。并结合该材料的锂离子存储行为，丰富了微孔储锂机制的内涵。

Xiao-Yang Jia, Zong-Lin Yi, Ran Xu, Wang-Gang Zhang, Ai-Li Wei, Li-Jing Xie, Guo-Hua Sun, Yi-Ming Liu, Cheng-Meng Chen, Mechanistic insights into Dual function of Graphene Oxide in Preparing Starch-derived Amorphous Carbon for Lithium Storage, Applied Surface Science, 2023.

https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.157371