傳統(tǒng)化石燃料如煤、石油、天然氣的日益耗竭，迫使人們開發(fā)可再生的清潔能源和與之匹配的能量存儲與轉(zhuǎn)化器件。在電化學(xué)儲能器件中，電極材料是影響其性能的關(guān)鍵因素。多孔碳材料因其可控的表面積、多維復(fù)雜的孔道結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)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(jié)構(gòu)和化學(xué)組分是影響超級電容器等儲能器件性能至關(guān)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(jīng)成為人們關(guān)注的焦點。
成果簡介
近期，揚州大學(xué)侯建華博士團(tuán)隊報道了從生物質(zhì)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(xué)儲能器件性能。這一重要研究成果在ACS Applied materials & Interfaces上全文發(fā)表了題為“Popcorn-Derived Porous Carbon Flakes with an Ultrahigh Specific Surface Area for Superior Performance Supercapacitors”的學(xué)術(shù)論文，并受到美國化學(xué)會（Chemical & Engineering News）以“Popcorn’s perfect pores（爆米花的完美孔）”為題發(fā)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(jié)構(gòu)發(fā)生怎樣的變化。
研究人員以玉米為原料，通過微波的“內(nèi)加熱”機制及其快速升溫引發(fā)的“膨化效應(yīng)”用時2分鐘，再持續(xù)微波8分鐘預(yù)碳化后獲得蜂窩狀宏觀結(jié)構(gòu)的碳材料，再結(jié)合堿活化法，成功設(shè)計出一種完全微孔為主導(dǎo)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(zhì)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(dá)3301 m2·g-1）為電化學(xué)反應(yīng)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(dá)到1550 m2 g-1，并且存在尺寸為0.69 nm的最優(yōu)孔），因其“微孔效應(yīng)”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(dá)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(dǎo)的材料在超級電容器中具有巨大的應(yīng)用潛力。
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(shè)計出一種微孔為主導(dǎo)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(yīng)”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(zhì)碳材料中最高的能量密度。這項工作拓寬了認(rèn)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(dǎo)的碳材料也非常適合應(yīng)用于超級電容器中，提高了超級電容器等儲能物質(zhì)的實際應(yīng)用潛力。