多孔碳纳米片助力高容量超级电容器

【引言】

传统化石燃料如煤、石油、天然气的日益耗竭，迫使人们开发可再生的清洁能源和与之匹配的能量存储与转化器件。在电化学储能器件中，电极材料是影响其性能的关键因素。多孔碳材料因其可控的表面积、多维复杂的孔道结构、良好的导电性和较低的成本，已成为目前最广泛使用的电极材料。碳材料的比表面积(SSA)、微观结构和化学组分是影响超级电容器等储能器件性能至关重要的因素。特别是纳米孔道的尺寸和几何形状的可控合成，由于其对碳基超级电容器的能量密度和功率密度有强烈的影响，已经成为人们关注的焦点。

【成果简介】

近期，扬州大学侯建华博士团队报道了从生物质玉米中获得的爆米花衍生多孔碳纳米片(PCF-X)能极大地提高电化学储能器件性能。这一重要研究成果在ACS Applied materials & Interfaces上全文发表了题为“Popcorn-Derived Porous Carbon Flakes with an Ultrahigh Specific Surface Area for Superior Performance Supercapacitors”的学术论文，并受到美国化学会(Chemical & Engineering News)以“Popcorn’s perfect pores(爆米花的完美孔)”为题发布新闻报告。作者侯建华博士表示：此项工作的灵感来自于女儿吃爆米花时的提问：为什么爆米花会如此的香脆?这使侯建华博士开始思考从玉米到爆米花微观结构发生怎样的变化。

研究人员以玉米为原料，通过微波的“内加热”机制及其快速升温引发的“膨化效应”用时2分钟，再持续微波8分钟预碳化后获得蜂窝状宏观结构的碳材料，再结合碱活化法，成功设计出一种完全微孔为主导的超高比表面积的多孔碳纳米片。在水系电解液(如图4)和离子液体电解液(如图5)中分别测试以PCF-X为电极材料的超级电容器性能，获得了生物质碳材料中最高的能量密度和极好的倍率性能。这主要归功于以下特征：(1)PCF-X超高的比表面积(如PCF-900的比表面积高达3301 m2·g-1)为电化学反应提供大量的活性位点;(2)高微孔比例(PCF-900微孔表面积占总比表面积的95%，尤其是的极微孔(<1 nm)表面积达到1550 m2 g-1，并且存在尺寸为0.69 nm的最优孔)，因其“微孔效应”引起的离子“去溶剂化”过程大大增加了比容量(在电流密度为10 A·g-1时容量可达311 F·g-1)。此外， PCF-X低的孔体积和高比表面积极大地增强了体积能量密度(103 Wh·kg-1)，表明微孔主导的材料在超级电容器中具有巨大的应用潜力。

【图文导读】

图1 PCFs的合成流程图

图2 爆米花、PCF和PCF-900的微观形貌表征

图3 PCF-X的结构表征

图4 PCF-X在两电极体系以6 M KOH为电解液的超级电容器性能表现

图5 PCF-X在两电极体系以EMIMBF4为电解液的超级电容器性能表现

【小结】

该课题组的工作报道了利用一种绿色、简易、快速的方法，成功设计出一种微孔为主导的多孔碳纳米片(PCF-X)。制备得的PCF-X具有高的极微孔表面积(~1550 m2·g-1)，因其“微孔效应”引起的离子“去溶剂化”过程大大增加了比容量，也获得在已有研究的生物质碳材料中最高的能量密度。这项工作拓宽了认识碳的纳米孔道的尺寸和几何形状的可控合成思路，表明微孔主导的碳材料也非常适合应用于超级电容器中，提高了超级电容器等储能物质的实际应用潜力。