Advanced Functional Materials: 胶原基多孔炭:设计、制备及电化学能量存储与转换应用

推广使用清洁能源是解决能源短缺和环境污染问题的最有效方式之一。开发先进的电化学能量储存和转换系统(如超级电容器、二次电池、燃料电池等)可以实现清洁能源的高效利用。而高性能和低成本电极材料的设计制备则是电化学能源存储和转换系统大规模应用的先决条件。多孔炭具有电导率高、比表面积大、化学性质稳定、前躯体丰富和易于制备的特点,因而被认为是最有潜力的电极材料之一。特别是由生物质前躯体制备的生物质基多孔炭(BPCs),低成本可持续的特点使其在近几年获得了越来越多的关注。生物质前躯体的天然微纳结构和特定化学组成赋予了BPCs独特的形貌结构和丰富的元素掺杂,进而增强了BPCs电极与电解液界面的物理作用和化学反应。此外,高的表面活性也提高了BPCs电极在电化学能源器件中的性能。尽管过去的研究工作已经报道并总结了大量关于BPCs及其在电化学能量存储和转换中的应用,然而在这些研究性或综述性论文中,BPCs的前体主要是指植物基前躯体及其衍生物(如纤维素、木质素、葡萄糖和蔗糖等)。不能忽视的是,一些植物前躯体的获取会受到季节性、区域性等因素的限制。此外,植物基生物质材料主要由富含C、H、O原子的碳水化合物组成,很少含有其他元素。在植物基生物质炭化过程中,除了O原子之外的非碳原子会大量流失。为了将所需的杂原子(如N、P、S等)引入植物基多孔炭中,则必须使用特定的掺杂剂和掺杂方法,进而增加了BPCs的合成成本。

为了满足人类对动物蛋白的需求,全世界每年有超过3亿吨的肉类产出量(主要来源于牲畜,家禽和鱼)。除了肉类产出外,大量的肉类副产物如内脏、骨骼、皮肤等也同时被产出。然而除了一些动物皮被用于皮革生产外,大部分的副产物被作为废物丢弃。尽管这些富含蛋白质的生物质材料不能被人类有效摄取,但它们是杂原子掺杂炭材料的的优质前躯体。特别是动物骨、动物皮和鱼鳞中含有丰富的胶原蛋白——一种具有三螺旋结构的蛋白质。胶原蛋白的多肽链主要由甘氨酸、脯氨酸、丙氨酸和蛋氨酸等富含大量C、N、O、S原子的氨基酸组成。通过可控的热解,胶原蛋白可以转化为具有多原子掺杂的多孔炭。除了有机物外,动物骨和鱼鳞还含有大量的无机物——羟基磷灰石,其可作为天然纳米模板以实现多孔炭的孔结构和形貌调控。这些由富含胶原蛋白的生物质所制备的胶原基多孔炭(CPCs)具有丰富的杂原子掺杂、发达的孔隙率和独特的形貌结构,使得CPCs在电化学能量储存和转化领域展现出良好的应用潜力。基于此,北京化工大学材料学院王峰教授,黄雅钦教授和张正平副教授研究团队从富含胶原生物质的结构组成出发,系统地总结了CPCs的结构设计与合成方法,介绍了不同CPCs在电化学能源存储以及转换领域中的具体应用。最后,从可控合成和规模化生产的角度展望了CPCs的应用前景,并提出了CPCs实用化所面临的问题挑战和解决办法。

相关论文以题为“Porous Carbons Derived from Collagen-Enriched Biomass: Tailored Design, Synthesis, and Application in Electrochemical Energy Storage and Conversion”在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201905095)上。