Small Methods:应用于超级电容器的多孔碳材料的合成策略

随着电动汽车、便携式电子设备的快速发展,双电层型超级电容器(EDLCs)以其高功率密度、超长循环稳定性等得到了广泛的关注。多孔碳材料是商用EDLCs中最主要的电极活性材料,面临着生产成本高、生产过程设备腐蚀、污染物排放等问题。因此开发多孔碳材料的新型合成策略,对于降低EDLCs成本,扩展EDLCs应用领域具有重要意义。在传统的“碳化-活化”策略外,多种多孔碳材料的新兴构筑策略得到了研究与开发,如模板法、自活化法等。目前,已有大量综述总结了不同策略构筑的多孔碳材料在性质、性能上的差异,但对于更深层次下不同合成策略下的造孔机制却鲜有关注。而实际上,不同的造孔机制是多孔碳材料呈现性质差异的内在因素,对于指导多孔碳材料的合成具有重要意义。

近日,阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的Husam N. Alshareef教授团队根据不同的造孔活化机制,归纳了合成多孔碳材料的主要方法,包括传统碳化-活化法、新兴活化法、模板法、自模板法、直接热解法以及其他新型造孔策略。同事进一步深入阐述了其中的造孔机制,汇总了相关领域的最新进展,并且讨论了开发多孔碳材料及其在EDLCs中应用的未来机遇与挑战。

作者归纳了合成多孔碳材料的主要方法,并对这些方法的科学原理、本质优势与面临的难点进行了系统地总结与归纳。传统碳化-活化法普遍涉及二氧化碳等气相活化剂(物理活化)与氢氧化钾等盐类/碱类活化剂(化学活化)。然而化学活化法不可避免地产生大量腐蚀性副产物,一系列新兴化学活化策略被提出。具体地,根据不同造孔活化机制,可将化学活化策略分类为:熔融盐刻蚀(如氯化铁)、可分解盐刻蚀(如碳酸镁)和氧化性盐刻蚀(如高锰酸钾)。而兼具造孔效果与环境友好性的刻蚀剂及相应的化学活化造孔方法仍然有待提出。

模板法既是合成多孔碳材料的传统技术,也是未来最具发展潜力的造孔策略。具体地,硬模板法采用氧化镁等硬模板,软模板法采用超分子等软模板,对于构造不同孔结构各具优势。进一步地,随着碳纳米管、MXene等新模板材料的发现,以及以冰为模板策略的提出,模板法也获得了极大的丰富。此外以有机盐、MOF等材料为碳源,自模板法也以其独特的化学行为与简洁的合成途径获得极大关注。除引入外源活化剂或模板,简单碳化共轭高分子材料、嵌段高分子材料、离子液体等含碳前驱体可直接合成多孔碳材料。这些前驱体独特的分子结构与化学性质,使得简单热解即可获得孔分布可调制的掺杂型多孔碳,并因此获得极大关注。此外,碳水化合物自活化、二氧化碳激光切割、脱卤碳化等新技术,以其独特而崭新的造孔原理,被划分为新型造孔工程策略,也在综述中进行了简要的阐述与展望。

最后,本文分析了各种造孔策略各自的优势与劣势,展望了一些为实现高性能的超级电容器亟待解决的挑战,比如,碳材料的导电性有待进一步提升、电极材料振实密度应给予更多关注、多孔碳材料的循环稳定性尚有提升空间。这些问题既是挑战也是机遇,解决这些问题对未来高性能超级电容器的开发具有重大意义。相关工作“Synthesis Strategies of Porous Carbon for Supercapacitor Applications”在线发表于Small Methods上(DOI: 10.1002/smtd.201900853)。