（原）材料视角 | 高性能绿色电极材料

初原载于 工大材料汇    2019-10-24未经允许禁止转载

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     高性能绿色电极材料——胶原基多孔炭材料

 今年(2019)的诺贝尔化学奖颁给了三位为锂离子电池的发现做出突出贡献的科学家。其中，斯坦利·惠廷厄姆作为锂电池的发明者证明了锂电池发展的可行性，也为其他科学家指引了前进道路;而约翰·古迪纳夫研制出新的正极材料，可以使电池具有更高的充放电电压，从而为生产更高能量密度的电池创造了条件；吉野彰则用碳替代了不稳定的锂合金作为电池的负极，提高了锂离子电池的安全性，使其大规模商用变为可能。

确实，因具有工作电压较高，循环寿命长与能量密度高等优势，锂离子电池已广泛应用于便携式电子产品，电动汽车，航空航天等领域。

二次锂离子电池的基本结构和工作原理

但随着人们对锂离子电池负极材料储锂容量需求的提高，目前作为锂离子电池主要负极材料的石墨类碳材料已不能满足人们的需求，人们开始寻求更高性能的负极材料，而生物质基多孔炭材料正是其中的一个方向。

那什么是多孔炭材料呢？

所谓多孔炭材料是指具有不同孔结构的碳素材料，孔的大小从具有相当于分子大小的纳米级超细微孔至适于微生物增殖及活动的微米级大孔。像这样

其具有比表面积大，导电率高，化学性质稳定，来源丰富，合成简单等优点，是锂离子电池负极材料的优良选择。而随着环境污染的进一步严重，生物质基多孔炭材料因前驱体（香蕉皮，甘蔗渣，明胶，动物骨等）来源广泛及低成本可持续的特点受到了越来越广泛的关注。

目前，应用的生物质基多孔炭材料的前驱体主要是指植物及其衍生物（如纤维素，木质素，葡萄糖和蔗糖等）。而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，进而增加了生物质多孔炭的合成成本。

以生物质为前躯体制备生物质基多孔炭材料

全球每年产生约一亿吨的动物骨，动物皮和鱼鳞，其含有的大量胶原蛋白易转化为多原子掺杂的炭材料，而动物骨和鱼鳞的丰富的羟基磷灰石可作为天然纳米模板实现炭材料的孔结构和形貌调控，这些肉类加工业的副产品却通常被作为废物丢弃。

那么，以富含胶原蛋白质的生物质为前躯体制备生物质基多孔炭材料是如何节约成本，提高性能的呢？

 1.在热解动物骨和鱼鳞的过程中，均匀分散的羟基磷灰石分解会产生水蒸气和二氧化碳，二者可以通过物理活化作用对胶原基多孔炭进行原位造孔，不需要额外的模板和活化剂即可实现生物质基多孔炭材料的制备。

 2.通过引入KOH破坏炭包覆层可以促进羟基磷灰石的重结晶。而尺寸增大的羟基磷灰石可以为KOH的浸渍提供空间，促进KOH对于前躯体内部的活化。此外，尺寸增大的羟基磷灰石又作为模板，在相对低的热解温度下实现胶原基多孔炭的孔结构和形貌调控。

 3.将富含胶原蛋白的生物质用KOH溶液处理后，明胶及小分子氨基酸会溶解分散到KOH溶液中。将混合溶液干燥后，有机物和钾盐（如KOH、K2CO3、KHCO3、KNO3和有机钾盐等）会自组装形成微米化结构。在后期的热处理过程中，钾盐的模板和活化作用辅助有机物形成二维的多孔炭纳米片。

 以上述方法制备的胶原基多孔炭材料不仅具有开放的孔结构，而且具有丰富的N、O、S原子掺杂，在与植物基多孔炭材料的比较中占据优势。但截至目前，它还未被大规模应用。

after all

人们对于能源的利用从生物质能到矿物能源，到现如今积极寻求绿色可再生的新能源，每一次能源的大规模变革都会促使材料的进一步发展，推动人类社会的发展进程。

所以，材料人们，加油呀！

本期问题：

1.生物质基多孔炭材料的前驱体有哪些？（至少五种）

答案:纤维素，木质素，葡萄糖，蔗糖，香蕉皮，甘蔗渣，明胶，动物骨，动物皮，鱼鳞

2.相较于植物基多孔炭，胶原基多孔炭有哪些优点呢？

答案:原料来源广泛，成本低，制作流程简单，性能较高

3. 你还知道哪些新型电极材料呢？

精选留言1：

微生物定植的电极(也被称为生物电极)，作为“活性催化剂”实现电子转移。微生物往往直接附着或聚集在电极表面以形成生物膜

复合金属锂电极。复合金属锂电极由10%体积比的碳纤维和金属锂材料组成。碳纤维网络具有良好的导电性，超高的机械强度和电化学稳定性，因此，作为金属锂的主体框架材料是绝佳选择。

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 精选留言2:

2015年，在氮掺杂石墨烯上均匀分散的Fe3O4纳米颗粒“葡萄状”结构被报道，Fe3O4纳米颗粒在微尺度上被3D互连的碳基底有效连接在了一起；2016年，“西瓜状”具有分级缓冲结构的紧凑型锂离子电池负极硅/碳微球问世；无独有偶，2017年，“火龙果状”FeS2C复合材料以二茂铁为碳源及铁源利用原位封装和转换法被成功制备；2018年，研究者提出了一种以硫为“促进剂”的简单路线，合成了“荔枝状”多孔Fe/N/C电极材料，并应用于高性能锌-空气电池中 。

---------Вперед, товарищи

 参考资料：

豆丁网——多孔碳及复合电极材料的制备与性能

道客巴巴——胶原基多孔炭材料：设计，制备及电化学储能应用

微信公众号:材料人

本文作者：田坤卉

时任审阅：于世龙  刘孟茜

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