浙江大学夏新辉教授团队Advanced Materials:探索霉孢子碳及其电化学储能–获《人民日报》点赞

碳基材料一直是当今储能领域的一个热门研究方向。区别于之前的人造碳材料,浙江大学夏新辉研究员团队提供了一种得获取新结构碳材料的全新思路。他们将废弃的煮熟大米作为原料,然后在其表面接种了名为Aspergillus Oryzae(米曲霉)的霉菌,经过在恒温恒湿箱里进行大约7-10天的培养,即可得到极大产量的米曲霉孢子。将其高温碳化后得到一类结构、形态特殊的多孔霉菌孢子碳(Spore carbon)。基于这种新型碳基材料,浙大夏新辉团队报道了题为Spore Carbon from Aspergillus Oryzae for Advanced Electrochemical Energy Storage的工作,仔细研究了霉菌孢子碳及其作为锂硫电池正极载硫宿主材料的特性。该工作为从微生物世界着手构建高性能碳材料开辟了一扇新的大门,并证明了孢子碳是电池的优质储能材料。此外,开发的孢子碳具有良好的适应性,可以扩展到催化,传感器和环境吸附等其他领域的应用。该文章发表在Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.201805165),第一作者为博士生钟宇。

霉菌孢子碳单体呈现一个类空心球状结构,它的表面次级结构由一种纳米褶皱形成交联的类迷宫状结构。从高分辨投射电镜图和选取电子衍射结果我们认为高温碳化后的霉菌孢子碳是一种无定型碳。霉菌孢子碳不仅有这种特殊的结构,同时,还具有氮、磷元素的原位掺杂特性,这点可以从元素mapping图中清晰地观察到。为了进一步提高和优化这类新结构碳材料的孔结构,研究团队利用碳化前孢壁表面易吸附的特点,将镍盐均匀负载在孢子表面,经过高温煅烧和磷化处理后,得到了一种多孔霉菌孢子碳/纳米磷化镍复合材料。将其与单质硫复合以后并组装电池进行测试。实验结果表明,相比于普通碳球,具有特殊结构和原位氮、磷元素掺杂的孢子碳具有更好的电化学性能;同时,经过镍刻蚀和磷化镍负载的双重改性,霉菌孢子碳作为锂硫电池硫载体的能力和其电化学性能得到了大大增强。

研究人员认为,性能增强的原因主要在于以下几点:1)多孔霉菌孢子碳提供了较大的储硫能力,并拥有额外空间保证其体积膨胀与收缩,同时,交联多孔结构能对多硫化物的穿梭进行物理限制;2)原位氮、磷掺杂的孢子碳对多硫化物具有一定的化学吸附效应;3)纳米磷化镍颗粒负载,能够对多硫化物进行一个非常强的吸附效应,从而大大减轻了穿梭效应。此外,根据DFT计算,研究人员证明了磷化镍和氮、磷掺杂的碳材料对多硫化物具有较强的吸附作用。

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