Advanced Functional Materials:苎麻“蜕变”储能三维多孔碳纤维

随着社会的发展,快速消耗的不可再生的化石能源以及日益恶化的环境使得人们不断开发高性能、价格低廉的电化学储能器件以满足未来能量储存的需求。生物质能源因其具有可再生和来源广等优点受到了越来越多的关注。天然苎麻的产源地是杨维清教授的家乡-四川省达州市大竹县,其产量占据全国80%,苎麻生长速度快(一年三季)。苎麻在传统纺织业有悠久历史,而高附加值先进材料开发方面还是空白。天然苎麻用于储能器件的研发可以满足新型城市轨道交通车辆的动力供给、城市交通的能量回收和大功率起停,对推动新能源轨道交通的快速发展具有重要意义。目前真正与相关公司合作拟投资3000万用于天然苎麻高比能超级电容器量产的成果转化。本文提出的分子预嵌技术和层级双空位缺陷构建平台对高能量密度储能器件的研究和应用具有重要意义。

西南交通大学材料学院杨维清课题组通过分子预嵌技术和层级双空位缺陷构建平台成功制备出高度互联互通的三维多孔碳纤维(DACFs),并对它的机理进行了详细的阐述。不同于目前广泛研究的KOH研磨高温活化,他们采用分子预嵌的技术将KOH分子铆接在苎麻纤维的内部。在高温活化的过程,KOH分子优先与纤维素-OH上的C原子反应形成空位。与此同时,CO2的引入更易和-C-C-上的C原子反应形成空位。测试表明,双空位缺陷构建的三维多孔碳纤维不仅表现出相对较高的比表面积1529 m2 g-1,而且拥有适宜的孔径分布。研究者进一步制造了基于多孔碳纤维基的扣式超级电容器。在EMIMBF4离子液体电解质体系中,器件展现出高达38.2 F/g的质量比电容和61.3 Wh kg−1的能量密度(对应功率密度为875 W kg−1)。(该论文第一作者王庆硕士研究生,通讯作者杨维清)

研究者相信,此项研究提出的分子预嵌技术以及层级双空位缺陷构建技术一方面将会为碳纳米材料的空位构建提供一定的解决思路,另一方面为基于多孔碳材料内嵌的金属纳米颗粒、易氧化的Mxenes以及不稳定的钙钛矿材料的铆接打开了一扇新的窗户。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202002580)上。