中國海洋大學ACS Nano: 冷凍條件下生物誘導礦化制備高性能儲鉀多孔碳材料

研究背景：

碳材料作為儲能器件中重要的電極材料，一直是研究熱點之一。其中，多孔碳材料具有復雜的層次性結構，是鈉、鉀離子電池負極材料的理想選擇。因此，尋找簡便、可控的多孔碳制備方法一直是科學家們的重要任務。

生物礦化（BM）是一種制備形狀多樣、大小可控、形態多樣的新型材料的有效方法，主要是利用特定的生物分子將無機物組裝成礦物的簡單過程。目前，從天然礦物（二氧化硅、羥基磷灰石、碳酸鈣）到納米材料（TiO₂、Fe₃O₄、ZnO等），這些常見的材料構建了復雜的礦化結構，這是其他人工方法難以制備的。生物礦化方法制備的產物不僅與天然生物質具有相似的孔隙度和層次結構，而且在很大程度上結構也更加相對均一。

成果簡介：

今日，中國海洋大學柳偉教授課題組用碳酸氫鈉和甲基纖維素合成了新型的有機-無機礦化前驅體。在合成過程中采用冷凍方法加快礦化分子的形成，從而作為一種改進的BM方法來制備納米材料。在此基礎上，通過對礦化分子的碳化和無機鹽的去除，得到了由多個相互連接的空心碳囊泡組裝而成的形似羽翼狀多孔碳納米片（WPCSs）。結果表明，WPCSs具有較好的鉀離子存儲性能。作為一個新的領域，相信在未來探索先進功能材料的道路上，凍結條件下的生物礦化將給我們帶來更多的驚喜。

該成果以題為“Bioinspired Mineralization under Freezing Conditions: An Approach to Fabricate Porous Carbons with Complicated Architecture and Superior K+ Storage Performance”發表在ACS Nano上，第一作者為崔永朋博士，通訊作者為柳偉教授。論文鏈接：DOI: 10.1021/acsnano.9b05284

圖文簡介：

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圖一：（a）WPCS的制備過程。（b）WPCS前驅體的SEM圖片。（c-d）WPCS的SEM圖片。（e）WPCS的TEM圖片。

圖二：（a）冷凍條件下制備的碳酸氫鈉納米晶的SEM圖片。WPCS前驅體的（b-c）SEM和（d-f）圖片。（g-i）WPCS前驅體碳化后未除去碳酸氫鈉納米晶的SEM和TEM圖片。（j） 碳酸氫鈉納米晶在纖維素中誘導礦化示意圖。

圖三：（a-b）WPCS的高分辨TEM圖片。（c-e）WPCS的XRD，Raman，XPS分析。(f)TEM mapping中碳和氧元素的分布。（g-h）WPCS石墨結構示意圖。（i）WPCS的氮氣吸脫附曲線和孔徑分布。

圖四：WPCS電極材料的電化學性能測試以及電容貢獻占比的計算。

圖五：鉀離子在WPCS電極中的擴散過程分析。（a-b）WPCS電極在初始狀態和完全放電狀態下的XPS元素分析。（c-d）WPCS電極材料的GITT測試和內阻分析。（e）WPCS電極中鉀離子嵌入過程示意圖。

圖六：組裝的WPCS//WPCS鉀離子混合電容器的電化學性能測試。

本文由中國海洋大學柳偉教授課題組供稿。

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