初原載于 工大材料匯????2019-10-24未經(jīng)允許禁止轉(zhuǎn)載

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? ? ?高性能綠色電極材料——膠原基多孔炭材料

?今年(2019)的諾貝爾化學(xué)獎頒給了三位為鋰離子電池的發(fā)現(xiàn)做出突出貢獻(xiàn)的科學(xué)家。其中，斯坦利·惠廷厄姆作為鋰電池的發(fā)明者證明了鋰電池發(fā)展的可行性，也為其他科學(xué)家指引了前進道路;而約翰·古迪納夫研制出新的正極材料，可以使電池具有更高的充放電電壓，從而為生產(chǎn)更高能量密度的電池創(chuàng)造了條件；吉野彰則用碳替代了不穩(wěn)定的鋰合金作為電池的負(fù)極，提高了鋰離子電池的安全性，使其大規(guī)模商用變?yōu)榭赡堋?/span>

確實，因具有工作電壓較高，循環(huán)壽命長與能量密度高等優(yōu)勢，鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品，電動汽車，航空航天等領(lǐng)域。

二次鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

但隨著人們對鋰離子電池負(fù)極材料儲鋰容量需求的提高，目前作為鋰離子電池主要負(fù)極材料的石墨類碳材料已不能滿足人們的需求，人們開始尋求更高性能的負(fù)極材料，而生物質(zhì)基多孔炭材料正是其中的一個方向。

那什么是多孔炭材料呢？

所謂多孔炭材料是指具有不同孔結(jié)構(gòu)的碳素材料，孔的大小從具有相當(dāng)于分子大小的納米級超細(xì)微孔至適于微生物增殖及活動的微米級大孔。像這樣

其具有比表面積大，導(dǎo)電率高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，來源豐富，合成簡單等優(yōu)點，是鋰離子電池負(fù)極材料的優(yōu)良選擇。而隨著環(huán)境污染的進一步嚴(yán)重，生物質(zhì)基多孔炭材料因前驅(qū)體（香蕉皮，甘蔗渣，明膠，動物骨等）來源廣泛及低成本可持續(xù)的特點受到了越來越廣泛的關(guān)注。

目前，應(yīng)用的生物質(zhì)基多孔炭材料的前驅(qū)體主要是指植物及其衍生物（如纖維素，木質(zhì)素，葡萄糖和蔗糖等）。而在植物基生物質(zhì)炭化過程中，除了O原子之外的非碳原子會大量流失。為了將所需的雜原子（如N、P、S等）引入植物基多孔炭中，則必須使用特定的摻雜劑和摻雜方法，進而增加了生物質(zhì)多孔炭的合成成本。

以生物質(zhì)為前軀體制備生物質(zhì)基多孔炭材料

全球每年產(chǎn)生約一億噸的動物骨，動物皮和魚鱗，其含有的大量膠原蛋白易轉(zhuǎn)化為多原子摻雜的炭材料，而動物骨和魚鱗的豐富的羥基磷灰石可作為天然納米模板實現(xiàn)炭材料的孔結(jié)構(gòu)和形貌調(diào)控，這些肉類加工業(yè)的副產(chǎn)品卻通常被作為廢物丟棄。

那么，以富含膠原蛋白質(zhì)的生物質(zhì)為前軀體制備生物質(zhì)基多孔炭材料是如何節(jié)約成本，提高性能的呢？

?1.在熱解動物骨和魚鱗的過程中，均勻分散的羥基磷灰石分解會產(chǎn)生水蒸氣和二氧化碳，二者可以通過物理活化作用對膠原基多孔炭進行原位造孔，不需要額外的模板和活化劑即可實現(xiàn)生物質(zhì)基多孔炭材料的制備。

?2.通過引入KOH破壞炭包覆層可以促進羥基磷灰石的重結(jié)晶。而尺寸增大的羥基磷灰石可以為KOH的浸漬提供空間，促進KOH對于前軀體內(nèi)部的活化。此外，尺寸增大的羥基磷灰石又作為模板，在相對低的熱解溫度下實現(xiàn)膠原基多孔炭的孔結(jié)構(gòu)和形貌調(diào)控。

?3.將富含膠原蛋白的生物質(zhì)用KOH溶液處理后，明膠及小分子氨基酸會溶解分散到KOH溶液中。將混合溶液干燥后，有機物和鉀鹽（如KOH、K2CO3、KHCO3、KNO3和有機鉀鹽等）會自組裝形成微米化結(jié)構(gòu)。在后期的熱處理過程中，鉀鹽的模板和活化作用輔助有機物形成二維的多孔炭納米片。

?以上述方法制備的膠原基多孔炭材料不僅具有開放的孔結(jié)構(gòu)，而且具有豐富的N、O、S原子摻雜，在與植物基多孔炭材料的比較中占據(jù)優(yōu)勢。但截至目前，它還未被大規(guī)模應(yīng)用。

after all

人們對于能源的利用從生物質(zhì)能到礦物能源，到現(xiàn)如今積極尋求綠色可再生的新能源，每一次能源的大規(guī)模變革都會促使材料的進一步發(fā)展，推動人類社會的發(fā)展進程。

所以，材料人們，加油呀！

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本期問題：

1.生物質(zhì)基多孔炭材料的前驅(qū)體有哪些？（至少五種）

答案:纖維素，木質(zhì)素，葡萄糖，蔗糖，香蕉皮，甘蔗渣，明膠，動物骨，動物皮，魚鱗

2.相較于植物基多孔炭，膠原基多孔炭有哪些優(yōu)點呢？

答案:原料來源廣泛，成本低，制作流程簡單，性能較高

3.?你還知道哪些新型電極材料呢？

精選留言1：

微生物定植的電極(也被稱為生物電極)，作為“活性催化劑”實現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移。微生物往往直接附著或聚集在電極表面以形成生物膜

復(fù)合金屬鋰電極。復(fù)合金屬鋰電極由10%體積比的碳纖維和金屬鋰材料組成。碳纖維網(wǎng)絡(luò)具有良好的導(dǎo)電性，超高的機械強度和電化學(xué)穩(wěn)定性，因此，作為金屬鋰的主體框架材料是絕佳選擇。

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?精選留言2:

2015年，在氮摻雜石墨烯上均勻分散的Fe3O4納米顆?！捌咸褷睢苯Y(jié)構(gòu)被報道，F(xiàn)e3O4納米顆粒在微尺度上被3D互連的碳基底有效連接在了一起；2016年，“西瓜狀”具有分級緩沖結(jié)構(gòu)的緊湊型鋰離子電池負(fù)極硅/碳微球問世；無獨有偶，2017年，“火龍果狀”FeS2C復(fù)合材料以二茂鐵為碳源及鐵源利用原位封裝和轉(zhuǎn)換法被成功制備；2018年，研究者提出了一種以硫為“促進劑”的簡單路線，合成了“荔枝狀”多孔Fe/N/C電極材料，并應(yīng)用于高性能鋅-空氣電池中 。

---------Вперед, товарищи

?參考資料：

豆丁網(wǎng)——多孔碳及復(fù)合電極材料的制備與性能

道客巴巴——膠原基多孔炭材料：設(shè)計，制備及電化學(xué)儲能應(yīng)用

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本文作者：田坤卉

時任審閱：于世龍? 劉孟茜

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