初原載于 工大材料匯????2019-10-24未經允許禁止轉載

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? ? ?高性能綠色電極材料——膠原基多孔炭材料

?今年(2019)的諾貝爾化學獎頒給了三位為鋰離子電池的發(fā)現做出突出貢獻的科學家。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用于便攜式電子產品，電動汽車，航空航天等領域。

二次鋰離子電池的基本結構和工作原理

但隨著人們對鋰離子電池負極材料儲鋰容量需求的提高，目前作為鋰離子電池主要負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極材料，而生物質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構的碳素材料，孔的大小從具有相當于分子大小的納米級超細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，導電率高，化學性質穩(wěn)定，來源豐富，合成簡單等優(yōu)點，是鋰離子電池負極材料的優(yōu)良選擇。而隨著環(huán)境污染的進一步嚴重，生物質基多孔炭材料因前驅體（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注。

目前，應用的生物質基多孔炭材料的前驅體主要是指植物及其衍生物（如纖維素，木質素，葡萄糖和蔗糖等）。而在植物基生物質炭化過程中，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，進而增加了生物質多孔炭的合成成本。

以生物質為前軀體制備生物質基多孔炭材料

全球每年產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炭材料的孔結構和形貌調控，這些肉類加工業(yè)的副產品卻通常被作為廢物丟棄。

那么，以富含膠原蛋白質的生物質為前軀體制備生物質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生物質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膠原基多孔炭的孔結構和形貌調控。

?3.將富含膠原蛋白的生物質用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構。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構，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優(yōu)勢。但截至目前，它還未被大規(guī)模應用。

after all

人們對于能源的利用從生物質能到礦物能源，到現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.生物質基多孔炭材料的前驅體有哪些？（至少五種）

答案:纖維素，木質素，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”實現電子轉移。微生物往往直接附著或聚集在電極表面以形成生物膜

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

?---------。

?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構被報道，Fe3O4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”具有分級緩沖結構的緊湊型鋰離子電池負極硅/碳微球問世；無獨有偶，2017年，“火龍果狀”FeS2C復合材料以二茂鐵為碳源及鐵源利用原位封裝和轉換法被成功制備；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，并應用于高性能鋅-空氣電池中 。

---------Вперед, товарищи

?參考資料：

豆丁網——多孔碳及復合電極材料的制備與性能

道客巴巴——膠原基多孔炭材料：設計，制備及電化學儲能應用

微信公眾號:材料人

本文作者：田坤卉

時任審閱：于世龍? 劉孟茜

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