潘春旭课题组Green Chem.：一步法制备生物质石墨化多孔碳

众所周知，可再生的天然生物质资源因具有丰富的碳含量为碳材料未来的发展和应用提供了充足的原料基础。一般说来，以生物质为原料制备多孔碳材料的方法主要以化学活化为主，即利用氢氧化钾、碳酸钾或氯化锌等化学活化剂作为碳材料产生大量的介微孔。但该方法得到的多孔碳以非晶结构为主，导电性不如结晶性高的石墨化碳高。目前，石墨化过程的催化剂主要以铁盐为主，包括三氯化铁、铁氰化钾等。然而上述活化剂和催化剂多为具有强腐蚀性或毒性的物质，会造成生产设备的腐蚀和环境的污染。

近日，武汉大学物理科学与技术学院的潘春旭教授（点击查看介绍）课题组提出了一种简单快速、绿色高效的制备方法，实现了生物质碳材料的多孔化和石墨化一体化处理，制备出高性能的超级电容器电极材料。他们提出“一步法”的方案，即以竹碳作为原料，使用高铁酸钾（K₂FeO₄）作为造孔剂和催化剂，同时完成生物质碳的多孔化和石墨化处理。

潘春旭教授（右）和博士生龚佑宁（左）

高铁酸钾的一步活化和石墨化机理如下：

（1）高铁酸钾热分解生成KOH和Fe(OH)₃，其中KOH负责活化造孔过程，Fe(OH)₃则与石墨化过程相关。

（2）活化造孔过程：氢氧化钾高温产生的钾化合物刻蚀碳形成二氧化碳和一氧化碳气体，产生孔结构。

（3）石墨化过程：Fe(OH)₃在高温下与碳材料反应生成铁微粒，将非晶型碳催化转变为石墨化碳。

他们利用一步法制备的生物质石墨化多孔碳材料具有以微孔为主的多孔结构、大比表面积（1732 m²/g）以及较高的石墨化程度，将其作为超级电容器电极材料进行测试，结果表明：（1）三电极体系下（电解液为6M KOH），该电极能在0.5 A/g的电流密度下提供222.0 F/g的电容，并具有优异的倍率性能和较低的阻抗；（2）以该电极组装的固态对称电容器（电解质为KOH/聚乙烯醇）具有良好的能量-功率输出性能，能在100.2 W/kg的功率密度下提供6.68 Wh/kg的能量密度，并在10 kW/kg时输出3.33 Wh/kg；（3）以该电极组装的扣式对称电容器（EMIM TFSI，离子液体作为电解液，电压窗口为3.0 V），能在12 kW/kg的功率密度下输出20.6 Wh/kg的能量密度，进一步突出该材料的实际应用潜力。

图1. 生物质石墨化多孔碳材料的形貌表征。图片来源：Green Chem.

图2. 生物质石墨化多孔碳材料的结构表征。图片来源：Green Chem.

图3. 固态对称电容器的电化学测试结果。图片来源：Green Chem.

图4. 扣式对称电容器的能量密度与功率密度图。图片来源：Green Chem.

该论文作者为：Youning Gong, Delong Li, Chengzhi Luo, Qiang Fuac and Chunxu Pan

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Highly porous graphitic biomass carbon as advanced electrode materials for supercapacitors

Green Chem., 2017, 19, 4132, DOI: 10.1039/C7GC01681F

潘春旭教授简介

潘春旭，工学博士，武汉大学物理科学与技术学院材料物理学教授（二级）、博士生导师，长期从事石墨烯和碳纳米管等碳纳米材料的制备与应用、TiO₂光催化空气污染处理机理与应用等领域的教学和科研工作；先后主持和完成国家重点基础研究发展计划（973）、国家自然科学基金等各类科研项目50多项；出版专著和教材5部，获国家发明专利15项，在国内外学术刊物上发表论文400余篇。

http://www.x-mol.com/university/faculty/45909