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你吃剩的小龙虾壳,要去为新能源做贡献了!

2020-12-31 17:18:02      点击:961    评论:0      来源:科技日报

如果把广大“吃货”最爱的小龙虾与新能源联系在一起,你会怎么想?大快朵颐之后,留下了堆积成山的小龙虾壳。对于这些司空惯见的餐厨垃圾,科学家则有另外的想法。最近,中国科学技术大学朱锡锋教授团队近期提出一种新方法,采用农林废弃物热解获得的重质生物油和厨余垃圾中的小龙虾壳,通过简单的合成,即可制备成高性能超级电容器的电极材料。

“小龙虾”电极材料性能卓越

据了解,中科大研究团队采用生物模板—碱活化的方法,以小龙虾壳为辅助材料,从重质生物油中成功合成具有超高比表面积、高孔容和适宜氧原子含量的分层多孔碳。同时,他们还研究了活化温度对分层多孔碳杂原子含量的影响,对获得高性能超级电容器电极材料的工艺条件进行了优化。由此制备出的分层多孔碳,在组装的超级电容器性能测试中,表现出宽工作电压和高能量密度,与现有电极材料相比具有明显性能优势,有望用于包括电动汽车在内的多个应用领域。国际知名学术期刊《碳》日前发表了这一成果。

不起眼的小龙虾壳竟有如此大用处!朱锡锋教授介绍说,这主要得益于良好的3D互连分层多孔结构。这种小龙虾壳制备出来的多空结构碳材料,具有超高的比表面积 、较大的总孔体积以及合理的氧原子含量。用这种材料组装起来的超级电容器,重量比电容高达351 F g -1(0.5 A g -1),这比以前报道的其他基于生物质的材料要好得多或至少可比。此外,以此组装的对称超级电容器在功率密度为350 W kg -1(0.5 A g -1)时可以达到20 W h kg -1的出色能量密度。

“这种简易的碳材料合成方法,将为探索由工业副产物和厨房废物大规模合成电极材料开辟新的途径。”朱锡锋表示。

“小龙虾”何以堪此大任?

近年来,电化学储能装置近来发展迅猛,超级电容器以其超高功率密度和超长寿命在电化学储能装置中脱颖而出。超级电容器是性能处于充电电池和普通电容器之间的一种绿色、高效、独特、新型的储能元件,拥有超高的功率密度,可瞬间充放电,同时具有长的循环寿命和较宽的工作温度范畴。

“电极材料是决定超级电容器的电化学储能性能的核心因素,因此,提高超级电容器在快速充放电速率下的电容及能量密度是目前挑战之一。”朱锡锋告诉记者,这当中,电极材料是制约超级电容器性能的关键因素,因此开发高性能的电极材料已成为电化学储能领域中的一项热点,研究者把越来越多的精力投入到相关材料的设计与合成方面。

在众多电极材料中,以生物质派生出来的多孔碳纳米材料因具备别具一格的微观形貌,巨大的比表面积,丰富的孔隙结构和良好的导电性, 并且制备多孔碳材料的原材料来源广泛、价格低廉, 可进行大规模的生产, 因此被广泛应用于能源存储与转化、催化和大分子吸附等诸多领域。

“正是由于多孔碳材料具有高的比表面积、可调控的物理化学性质、价廉易得等优点, 在能源存储和转换、催化、吸附分离等领域展现出了巨大的应用前景。”朱锡锋告诉记者,多孔碳材料孔隙结构的大小在实际应用中对其性能有较大的影响。根据多孔碳材料的实际用途,制备不同孔径大小的碳材料,可以通过选择不同的合成方法和前驱体来精准调控,从而获得能够充当高性能电极的材料。

事实上,按照孔径的大小,多孔材料一版可以被分为三类: 微孔碳材料(<2 nm)、介孔碳材料(介于2~50 nm)和大孔碳材料(>50 nm) 。 通过对聚合物结构、分子量的调控制备多孔碳材料的方法, 实现了较高的碳化率和对碳材料的物理化学性质,包括纳米形貌、比表面积、孔径、微晶结构、杂原子在掺杂、导电性等的精确调控,从而制备出了一系列高性能的多孔碳材料。

“像小龙虾壳这种结构丰富、价廉易得的原料,我们就可以从聚合物结构和分子量的角度出发, 制备一系列传统方法不能制备的高性能多孔碳材料。”朱锡锋说。

神通广大的碳材料

其实,所谓高大上的多孔碳材料一点都不稀奇,生活中随处可见的活性碳就是一种多孔碳材料。

碳是自然界中蕴藏量极其丰富的一种元素。随着时代的发展和科学技术的进步,人们发现碳质材料的开发蕴藏着无限的可能性, 越来越多的新型碳质材料以及新颖的优良性质被发现。

碳材料作为一种古老而又年轻的材料,与人类生活息息相关。小到日常生活中的铅笔芯,大到航天航空设备中的结构材料,碳都在其中扮演中重要的角色。

司空惯见的碳材料,由于不同的结构,其实具有非同寻常的性质。 它和金属一样具有导电性、导热性,又和陶瓷一样耐热、耐腐蚀,它和有机高分子一样质量轻,分子结构多样,等等,这些都是三大固体材料金属、陶瓷和高分子材料所不具备的。

朱锡锋告诉记者,虽然聚合物衍生的多孔碳材料的广泛研究极大地促进了绿色化学和新能源领域的快速发展, 但是目前就聚合物衍生的多孔碳材料的制备方法和性能方面还有亟待解决的挑战。

比如,合成聚合物作为前驱体制备多孔碳的产率比较低。尽管共轭聚合物的碳化率比较高(可达到60%), 但其成本昂贵, 限制了大规模合成。

再比如,虽然环境友好的生物质材料作为碳源成本比较低, 但是得到的碳材料的电导率也比较低。

此外,离子聚合物作为碳源制备的碳材料具有短程有序性、高的电导率、可调控的孔径的优点,但是其成本较昂贵。虽然杂原子掺杂能够改变碳材料的物理化学性质, 从而赋予碳材料丰富的优异特性,但是具体的机制尚不明确,等等。

因此, 降低碳材料成本, 可控制备多孔碳的高性能电极材料,将成为未来多孔碳材料研究和发展的方向。

有人预言,21世纪是“超碳时代”。碳材料的迅猛发展,从金刚石的人工合成、石墨层间化合物的深入研究,到富勒烯、石墨烯的发现,都取得了令人瞩目的成就,而石墨烯有可能将碳元素的独特性发挥到极致!给人们展现了无限的遐想空间。

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