多孔碳納米片助力高容量超級電容器



傳統化石燃料如煤、石油、天然氣的日益耗竭,迫使人們開發可再生的清潔能源和與之匹配的能量存儲與轉化器件。在電化學儲能器件中,電極材料是影響其性能的關鍵因素。多孔碳材料因其可控的表面積、多維復雜的孔道結構、良好的導電性和較低的成本,已成為目前最廣泛使用的電極材料。碳材料的比表面積(SSA)、微觀結構和化學組分是影響超級電容器等儲能器件性能至關重要的因素。特別是納米孔道的尺寸和幾何形狀的可控合成,由于其對碳基超級電容器的能量密度和功率密度有強烈的影響,已經成為人們關注的焦點。

【成果簡介】

近期,揚州大學侯建華博士團隊報道了從生物質玉米中獲得的爆米花衍生多孔碳納米片(PCF-X)能極大地提高電化學儲能器件性能。這一重要研究成果在ACS Applied materials Interfaces上全文發表了題為“Popcorn-Derived Porous Carbon Flakes with an Ultrahigh Specific Surface Area for Superior Performance Supercapacitors”的學術論文,并受到美國化學會(Chemical Engineering News)以“Popcorn’s perfect pores(爆米花的完美孔)”為題發布新聞報告。作者侯建華博士表示:此項工作的靈感來自于女兒吃爆米花時的提問:為什么爆米花會如此的香脆?這使侯建華博士開始思考從玉米到爆米花微觀結構發生怎樣的變化。

研究人員以玉米為原料,通過微波的“內加熱”機制及其快速升溫引發的“膨化效應”用時2分鐘,再持續微波8分鐘預碳化后獲得蜂窩狀宏觀結構的碳材料,再結合堿活化法,成功設計出一種完全微孔為主導的超高比表面積的多孔碳納米片。在水系電解液(如圖4)和離子液體電解液(如圖5)中分別測試以PCF-X為電極材料的超級電容器性能,獲得了生物質碳材料中最高的能量密度和極好的倍率性能。這主要歸功于以下特征:(1)PCF-X超高的比表面積(如PCF-900的比表面積高達3301 m2·g-1)為電化學反應提供大量的活性位點;(2)高微孔比例(PCF-900微孔表面積占總比表面積的95%,尤其是的極微孔(1 nm)表面積達到1550 m2 g-1,并且存在尺寸為0.69 nm的最優孔),因其“微孔效應”引起的離子“去溶劑化”過程大大增加了比容量(在電流密度為10 A·g-1時容量可達311 F·g-1)。此外, PCF-X低的孔體積和高比表面積極大地增強了體積能量密度(103 Wh·kg-1),表明微孔主導的材料在超級電容器中具有巨大的應用潛力。

【圖文導讀】

圖1 PCFs的合成流程圖

多孔碳納米片助力高容量超級電容器

圖2 爆米花、PCF和PCF-900的微觀形貌表征

多孔碳納米片助力高容量超級電容器

圖3 PCF-X的結構表征

多孔碳納米片助力高容量超級電容器

圖4 PCF-X在兩電極體系以6 M KOH為電解液的超級電容器性能表現

多孔碳納米片助力高容量超級電容器

圖5 PCF-X在兩電極體系以EMIMBF4為電解液的超級電容器性能表現

多孔碳納米片助力高容量超級電容器

【小結】

該課題組的工作報道了利用一種綠色、簡易、快速的方法,成功設計出一種微孔為主導的多孔碳納米片(PCF-X)。制備得的PCF-X具有高的極微孔表面積(~1550 m2·g-1),因其“微孔效應”引起的離子“去溶劑化”過程大大增加了比容量,也獲得在已有研究的生物質碳材料中最高的能量密度。這項工作拓寬了認識碳的納米孔道的尺寸和幾何形狀的可控合成思路,表明微孔主導的碳材料也非常適合應用于超級電容器中,提高了超級電容器等儲能物質的實際應用潛力。




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