生物质废弃物通过一步固态热解法合成用于超长寿命超级电容器的分级多孔碳材料

多孔碳材料由于具有高比表面积、丰富的孔道结构和优异的化学稳定性而引起研究者的广泛关注。然而开发一种通用的简易的多孔碳合成方法仍然存在挑战。同时，实现废弃物的绿色循环利用，进而得到高附加值产品是解决环境污染和资源短缺的有效手段。

近日，山东科技大学付民与香港理工大学黄维扬、广东工业大学黄锦涛和温州大学钱鹏程等人合作，开发了一种通用、简便的一步固态热解法，合成了一系列的分级多孔碳材料。该方法以常见的生物质废弃物为碳源，以高铁酸钾作为造孔剂，一步即可制备出分级多孔碳材料（图1）。与传统的两步或多步法相比，此法简便快捷、成本低、污染少，具有潜在的工业应用前景。

图1. 生物质多孔碳材料的合成及电荷传输示意图。

研究结果表明，采用此法合成的多孔碳材料具有丰富的孔道结构、均匀的元素分布、良好的结晶性和高比表面积（图2）。

图2. 生物质多孔碳材料的SEM, TEM, XRD, 氮气吸附脱附曲线和XPS表征。

将所合成的多孔碳材料组装成对称超级电容器，在1 A g^-1的电流密度下可获得291.2 F g^-1比电容，10 A g^-1的电流密度下仍可获得240.1 F g^-1的比电容。更重要的是，经过10万圈循环后，电容保持率高达93.2%，表现出非常优异的循环性能（图3）。深入探究了其优异循环性能的原因。

此外，采用5种不同的生物质废弃物（虾壳、板栗壳、羊骨、柚皮、花生壳）探究了此方法的普适性。

图3. 超级电容器的电容性能。

这项工作为简便、快速、绿色的处理生物质废弃物和合成多孔碳材料提供了一条可行的途径，为资源的高效利用和分级多孔碳材料的合理设计提供了新思路，这对当今自然资源日益紧缺的社会具有重要意义。

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One-step solid-state pyrolysis of bio-wastes to synthesize multi-hierarchical porous carbon for ultra-long life supercapacitors

Min Fu, Jintao Huang*, Simin Feng, Tianyi Zhang, Peng-Cheng Qian*, Wai-Yeung Wong*

Mater. Chem. Front., 2021, DOI: 10.1039/D0QM00960A

第一及通讯作者简介

付民，山东科技大学化学与生物工程学院学术副教授，硕士生导师。2014至2015年在宾夕法尼亚州立大学交流访问，2016年获北京理工大学博士学位，主要从事金属氧化物/先进碳纳米复合材料的结构设计及其在储能、隐身和生物分子检测等领域的应用。在Small，Carbon，Journal of Materials Chemistry A，Biosensors & Bioelectronics，Journal of Power Sources，Journal of Materials Science & Technology和Materials Chemistry Frontiers等学术刊物上发表30余篇研究论文，其中高被引3篇。参编“十三五”规划教材2部，在国际、国内学术会议做多次邀请报告。担任Nano Energy, Carbon, ChemSusChem和ACS Applied Materials & Interfaces等20多个国际期刊的审稿人。

黄维扬，香港理工大学应用科学及纺织学院暂任院长、应用生物及化学科技学系讲座教授和欧雪明能源教授。1992年获香港大学化学专业一级荣誉学士学位；1995年获香港大学博士学位；1996至1997年分别于美国德州农工大学和英国剑桥大学从事博士后研究，现为香港化学会主席。长期担任多种国际期刊的编委和国际编委顾问成员：如担任Topics in Current Chemistry主编，Journal of Materials Chemistry C及Materials Advances副主编，Journal of Organometallic Chemistry编辑。长期专注于无机化学中金属有机聚合物/配合物的设计、合成及其光电应用等领域的基础与应用研究。2014年起连续七年入选为汤森路透/科睿唯安高被引科学家，H-索引指数为83（Scopus）。英国皇家化学会会士、香港裘槎基金会“优秀科研者奖”、英国皇家化学会“过渡金属化学奖”(首位华人)、国家教育部高校自然科学奖一等奖（排名第一）、亚洲化学会联合会杰出年青化学家奖、“何梁何利基金科学与技术创新奖”、国家自然科学奖二等奖（排名第一）、日本光化学学会亚洲及泛洋洲光化学科学家讲学奖、香港研资局“高级研究学者奖”、国家教育部“长江学者”讲座教授和香港青年科学院创院院士称号等奖项或称号。

https://www.x-mol.com/university/faculty/179911

黄锦涛，广东工业大学材料与能源学院副教授，硕士生导师。2009和2012年分别获得四川大学学士和硕士学位，2015年获得华南理工大学博士学位，2018至2019年在香港理工大学从事Research Fellow工作。主要从事生物基能源材料制备及性能、传统加工方法制备储能材料等方面的研究。参与编写Wiley等出版社书籍2部，现任ES杂志ES Food and Agroforestry和四川大学学报（自然科学版）编委会成员，Polymers和《材料导报》审委会成员，Journal of Materials Chemistry C、Solar Energy Materials & Solar Cells、Composites Communications等国际期刊审稿人。

https://www.x-mol.com/university/faculty/242257

钱鹏程，男，副教授，2015年获湖南大学博士学位，2017年至2018年以访问学者身份至美国加州大学圣巴巴拉分校进行交流。现任温州大学新材料与产业技术研究院常务副院长。主要从事有机合成、金属有机化学及有机化学绿色化研究，主持多个不同级别项目，如国家自然科学基金国际合作项目、浙江省自然科学基金、浙江省教育厅项目及温州市科技局重大项目等，并参与多项国家级、省级科研项目。与美国加州大学圣芭芭拉分校化学系联合培养博士后多名。在Angew. Chem. Int. Ed., J. Org. Chem., Chem. Rev.等国内外高水平刊物上发表论文多篇。