如何将花粉转变为超级电容器?

花粉既可以是艳丽花卉的生命起点,也会让对其过敏的人群避之不及。它往往是植物学家或医学工作者的研究对象,但如今,在材料科学家的手中它摇身一变成为了一种新型的储能材料。南开大学化学系陈永胜教授的研究团队利用花粉独特的疏松多孔结构,将其作为碳源制备出了高比表面积的材料,并测试其产物具备良好的电容性能,该方法使得花粉变身超级电容器成为了可能。

         陈教授的团队在前期研究摸索中发现,超级电容器电极材料需要具有较高的比表面积,而在制备高比表面积的碳材料时,其碳源的结构疏松度对碳材料产物的比表面积有较大的影响。因此,他们开始有意识地寻找和留意一些具有疏松结构的天然有机废物并试图将其用作碳源。在一次偶然的机会下,他们发现花粉具有独特的疏松多孔结构,并且其来源广泛、十分易得,于是便开展了该项研究工作。

         陈教授在接受采访中表示:“为了降低能耗以及增加碳源的利用率,我们采用了水热碳化的处理方式代替了传统的高温热碳化,并且‘意外的’发现用这种新方法得到的产物与用传统方法制备得到的产物相比具有更高的比表面积以及更大的孔径。这两个特点使得我们的产物非常适用于可以提供更高操作电压区间的离子液电解液体系,这是目前商用活性碳材料所不能实现的。”

         这项研究中存在较多的因素会影响产物的性能,例如水热反应的温度、时间,以及活化反应时的活化剂种类、活化剂比例以及活化温度等,因此需要进行大量的实验条件摸索。为了克服这些难题,陈教授根据关键的影响因素设计了系列正交实验,分别找出了各个步骤下的最优条件,然后再将这些步骤结合在一起获得了最优条件。

“本项目是由本人与张龙共同提出和设计的,张龙完成了本项工作的大部分实验,张帆、杨希以及冷凯协助完成了部分的表征和实验合成,黄毅教授对该项工作的设计和实施提出了建议。文章的撰写与修改以及图片的设计与绘画是由本人和张龙进行的,所有的作者在该项工作发表前都阅读和修改过稿件。”——陈永胜教授

         从碳源的结构入手来改变碳材料产物的比表面积和孔径分布与传统的方法相比具有其独特的优势。陈教授表示在随后的工作中,他们将进一步细化该种结构与性能之间的对应关系。陈教授说:“我们期望不仅仅只是通过改变结构来改变性能,而是要进一步通过细化调节结构来精确得到我们想要的性能。比如我们可以通过人为的合成出一系列具有不同疏松程度的碳源,仔细地研究出它们对产物比表面积和孔径分布的影响,找出结构与性能之间的对应关系。然后根据我们实际应用所需要的材料的比表面积和孔径分布,有目标性的合成出这样的材料。”

         目前超级电容器的能量密度已经得到了较大的提升,这极大地拓宽了它的实际应用领域。对于未来发展趋势,陈教授认为超级电容器会进一步向柔性可折叠、超薄便携等特点发展,因此其电极材料和器件结构也会改变与调整,比如使用全固态超级电容器或采用新的内部串联技术来满足和实现其柔性和便携等特征。

About Xu Guangchen

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。