西南大學李長明團隊Adv. Energy Mater.: 化學法剝離生物質制備多孔類石墨烯碳材料用于高性能超級電容器

【引言】

二維材料，如石墨烯，由于其低維度的結構可以縮短離子擴散距離和在電化學反應中提供快速的電子傳遞，近年來備受研究者的關注。 活性碳材料具有獨特的物理性質，并且成本低廉，但是傳統的制備過程容易造成材料板結和孔堵塞，大大降低了其在電化學器件中的離子/電子傳輸能力，導電性和材料利用率。

【成果簡介】

近日，西南大學材料與能源學部李長明教授（通訊作者）等人使用化學法剝離生物質，制備了多孔類石墨烯碳材料，并對不同預處理劑的作用機理進行了研究和探討，相關成果在Adv. Energy Mater.發表，題目為 “Chemically exfoliate biomass into a graphene-like porous active carbon with rational pore structure, good conductivity and large surface area for high performance supercapactiors”。通過化學預處理生物質，高溫碳化的方法制備出具有合理孔結構，良好導電性和高比表面積的類石墨烯活性碳材料。該類石墨烯碳材料展現出超高的雙電層比電容 (340 F g^-1) 以及高的能量密度 (23.33 到 16.67 Wh Kg^-1)，優于目前報道的碳材料（包括石墨烯），并且具有優異的倍率性能和循環穩定性，表現出極大的實際應用潛質。

【圖文導讀】

圖1 不同化學處理前驅體及對應活性炭材料的SEM圖

(a₁,a₂) H₂O前處理的生物質及其碳材料的掃描電鏡圖；

(b₁,b₂) H₂O₂前處理的生物質及其碳材料的掃描電鏡圖；

(c₁,c₂) HAc前處理的生物質及其碳材料的掃描電鏡圖；

(d₁,d₂）H₂O₂-HAc前處理的生物質及其碳材料的掃描電鏡圖。

?圖2 不同前處理過程所得碳材料比表面、孔徑及其前驅體紅外光譜

(a,b) 不同前處理過程所得碳材料的BET和孔徑分布圖；

(c) 不同前處理過程所得前驅體的紅外吸收光譜。

?圖3 碳材料的XRD和拉曼光譜

（a）不同前處理所得碳材料的XRD；

（b）不同前處理所得碳材料的拉曼光譜；

（c）不同前處理所得碳材料的I_G/I_D。

?圖4 不同前處理所得碳材料的XPS光譜圖

(a-d) 不同前處理所得碳材料的C1s XPS光譜；

(e,f)? C-H₂O₂/HAc的N1s和S2p XPS 光譜。

圖5 不同前處理所得碳材料的電化學性能測試

不同前處理所得碳材料的（a）CV圖；（b）充放電曲線；（c）電化學阻抗譜；（d）倍率性能?；（e）多孔類石墨烯碳材料的循環曲線。

圖6 不同前處理過程機理圖

圖7 多孔類石墨烯碳材料組裝的對稱電容器性能圖

多孔類石墨烯碳材料組裝的對稱電容器(a) CV曲線；(b) Ragone 圖；(c) 循環性能圖，插圖為萬用表測量的開路電壓和點亮LED燈泡的光學照片。

?【小結】

該工作通過不同的預處理劑巧妙的調控了生物質的納米孔結構和層狀結構，并對不同的處理機制進行了詳細的研究。研究發現通過對介孔和大孔的合理設計，能使介孔和大孔與材料中的微孔相關聯，共同構成快速的離子傳輸通道，從而提高了材料的導電性和利用率。該工作對于制備多孔并具有良好導電性的生物質（生物廢料）碳材料在能源儲存和能源轉換中的應用具有指導意義。

論文鏈接：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).

該研究得到了國家“千人計劃”、國家973計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費和重慶市潔凈能源與技術重點實驗室相關項目的資助。

本文由西南大學李長明教授團隊提供，特此感謝。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料測試、數據分析，上測試谷！