突破！《ACS Nano》首次报道中试规模生产5kg层级多孔石墨碳，大幅提升储能效率
【研究背景】
多孔炭（PC）材料由于其优异的物理化学特性（包括相对稳定性，超高电导率，重量轻，表面积大和表面反应活性高）在研究和应用中均经历了飞速发展，这些应用严重依赖于多孔碳的比表面积、孔体积、孔径分布、活性位点等特性。将石墨烯掺入PC中，称为多孔石墨炭（PGC），它不仅拥有石墨烯的出色电化学性能，而且还可以克服二维石墨烯的缺点。目前PGC的合成方法和形态控制的研究非常深入，已经开发了几种领先的路线，但是仍然存在局限性。模板法的广泛应用受到特殊模板的复杂预合成，过程耗时长以及高成本的限制；物理/化学活化法孔结构难以控制，大量酸/碱的使用经济性差且不环保。因此，PGC广泛应用的挑战在于如何利用一种简便且可扩展的方法来控制孔隙结构特征，降低成本并消除对环境有害的副产品。
【成果介绍】
近日，天津师范大学的艾果博士（通讯作者）与广汽汽车研发中心联合提出了一种具有协同效应的双活化剂制备多孔石墨炭材料的方法，不仅能够大大减少氢氧化钾的用量，而且能够极大提高多孔石墨炭物性参数的同时实现对比表面、孔体积、孔径分布等关键特性的精细调控。通过将中试规模的分层多孔石墨炭（HPGC）应用于超级电容器和锂硫电池，进一步证明了其出色的结构特性以及满足各种储能器件要求的可能性。相关研究成果以“Development of a SynergisticActivation Strategy for the Pilot-Scale Construction of Hierarchical PorousGraphitic Carbon for Energy Storage Applications”为题，发表于《ACS Nano》上。
【研究内容】
图1.HPGC的制备和表征
图2.KOH和Ca(OH)2作为共活化剂的活化机理
图3.具有不同活化剂的活化机制示意图
、
图4.通过协同活化反应调节HPGC的孔隙结构
图5.HPGC的中试规模生产的物理表征
图6.HPGC作为超级电容器中的活性材料的应用
图7.HPGC在锂硫电池中作为硫载体的应用
图8.HPGC在袋式Li–S电池中作为硫载体的应用
【研究意义】
以废弃的阳离子交换树脂作前驱体，实现高碳产率（〜10％）和低灰分含量；
提出了协同活化机制，通过中试规模生产（每次约5 kg）分层多孔石墨炭（HPGC）的合成，能够在很宽的范围内调节碳材料的孔隙特征；
合成的HPGC被用作超级电容器中的电极材料和Li-S电池的硫载体，表现出其出色的电化学特性以及满足各类应用系统的可能性；
未来能够调节结构特性的特性使HPGC适用于广泛的应用，例如能量存储，转化和催化应用。
文献链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.0c00620
相关链接：