北化潘军青教授：植物基多孔碳及其衍生物用于超级电容器的最新进展

近年来，不可再生能源如石油、煤、天然气等大量被消耗，导致严重的环境污染，而可再生能源（太阳能、风能、潮汐能等）的推广又受到其间歇性、区域性和高成本性等限制，因此开发先进的用于能量转换与储存技术和设备是非常必要的。超级电容器是介于传统电容器和电池之间的一种新型储能设备，具有快速充放电能力、高功率密度、超长的循环寿命、绿色安全等特征。其储能机理可分为双电层储能（EDLCs）和赝电容储能，前者是通过在电极/电解液界面上反离子吸附进行的，属于物理过程，表现出高度的可逆性，而后者涉及在电极表面或近表面处发生欠电位沉积、氧化还原或插层等反应，常伴随电极材料结构的变化，从而导致循环寿命降低。植物材料制备炭材料具有悠久的历史记录，近年来，人们利用植物资源丰富、成本低和独特的内部孔道结构，被认为是超级电容器电极材料碳前躯体的有力候选者。一般来说，超级电容器的能量密度相对铅酸电池（35–50 Wh kg^-1）和锂离子（140–265 Wh kg^-1）来说比较低，一般只有5-30 Wh kg^-1。如何开发高性能的超级活性炭材料，尤其是从天然植物资源出发是一件很有意义的研究课题。有鉴于此，北京化工大学潘军青教授团队在J. Power Sources发表了题为 “Recent progress on porous carbon and its derivatives from plants as advanced electrode materials for supercapacitors” 的综述性文章。

本文首先对植物基材料的成分和结构进行介绍，其可作为多孔碳制备的前躯体。然后，从植物基碳材料的制备、杂原子掺杂和复合碳等方面系统介绍了近年来在超级电容器应用中的最新进展。最后，对植物基碳材料在超级电容器中应用的当前挑战和未来发展趋势进行了概括讨论和分析预测。

具体综述目录和内容如下： 

1. 介绍

2. 植物基多孔碳材料3

2.1 植物组分分析4

2.2 物理活化5

2.3 化学活化7

2.3.1 磷酸活化工艺7

2.3.2 氢氧化钾活化工艺7

2.3.3 氯化锌活化工艺8

2.4 其它活化工艺

3. 植物基掺杂碳材料10

3.1 氮掺杂碳材料11

3.2 硫掺杂碳材料11

3.3 磷掺杂碳材料11

3.4 其它杂原子掺杂碳材料11

4. 植物基碳复合材料13

4.1 碳和石墨烯复合材料14

4.2 碳和过渡金属氧化物复合材料15

4.3 碳和水滑石复合材料15

5. 结论和展望17

致谢17

参考文献17

图1 植物基超级活性炭综述结构图

图2 超级电容器的储能机理及植物材料的可持续应用

图3 植物材料的组分及其在超级电容器中的应用

图4 物理活化法制备多孔碳

图5 化学活化法制备多孔碳

图6 杂原子掺杂多孔碳

图7 石墨烯复合多孔碳

图8 过渡金属氧化物及LDHs复合多孔碳

图9 各种植物基碳比容量的统计对比图

图9分析了各种活化工艺得到植物基衍生的超级活性碳材料及其复合材料在比电容上的差异。通过对上述文献的统计分析表明，化学活化手段可以获得比物理活化更高的比容量。氮、硫和磷等杂原子掺杂，尤其是氮原子掺杂进一步提高了超级活性炭的比电容。在此基础上，过渡金属氧化物和双金属氢氧化物（水滑石）以其自身特有的赝电容特性显著提高碳复合材料的比电容，这两类材料和碳材料复合过程中碳材料自身扮演了电容和导电体双重角色，从而有力提升了赝电容材料的倍率性能。

【结论与展望】

植物前躯体的选择主要从成本、环境及原材料性质等方面进行考虑，涉及到产率、地域、资源有效利用、原材料的组成及内部结构等。此外，活化方法的选择对最终电极材料的性能有较大的影响，化学活化有利于形成更发达的孔道结构，在重量比容量和重量比能量方面占优势（实验室规模），而物理活化是大规模化生产的首选方式，这是因为在工业上，物理活化显示出更优异的体积比容量和体积比能量，部分文献指出可以获得几乎一致的重量比容量和重量比能量（以超级电容器的总重量为标准），从而大大缩短了活性材料制备的生产周期和成本。另外，杂原子掺杂可调节电极材料的表面性质，其掺杂量和在碳骨架中具体的化学状态与合成条件密切相关，从而影响其最终的电化学性能。此外，引入其它，如石墨烯、过渡金属氧化物和水滑石可改善活性组分的形貌和储能机制，使其单一的双电层储能变为双电层和赝电容共同储能，提高了能量密度。

植物基碳材料在超级电容器中的应用得到了广泛的研究，但许多问题仍未得到清晰的阐述。首先，植物基碳的孔道结构形成及其与电化学性能的关系仍不明确，需要更加先进原位的表征手段来监测原材料在转变成活性物质期间其组分、形貌和结构的连续变化；其次，杂原子的掺杂方式及更加精确的结构特征需要被阐明，这有利于发挥植物基材料的组分优势；复合碳中各组分之间的协同机理和多级孔道对电化学性能的贡献特性还期待研究者做进一步深入的研究。随着对植物基碳材料的不断研究，这种先进的碳材料将在储能领域中得到更广泛的应用。

获取原文：

扫码获取

手机/微信号｜13249726286

G. Jiang, R. A. Senthil, Y. Sun, T. R. Kumar, J. Pan^*, Recent progress on porous carbon and its derivatives from plants as advanced electrode materials for supercapacitors, J. Power Sources 2022, 520, 230886.

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230886