南京林大《AFM》：一种绿色温和的方法制备高比表面积纳米结构！

通过一种简单的绿色方法，从具有高面积/体积能量密度的厚碳电极设计能量存储装置是非常有吸引力的，但仍然具有挑战性。纤维素作为一种来源丰富、成本低廉的厚碳电极的优良前驱体，通常通过化学活化剂和热解途径活化，以获得高电化学性能。然而，仍然有一些问题需要解决，如苛刻的活化条件、多孔结构容易崩溃、以及高成本。

 

来自南京林业大学等单位的研究人员，提出了一种来源于木质纤维素的3D自支撑厚碳电极，通过温和、简单和绿色的酶解处理，实现了超级电容器的高面积和高体积能量密度。受益于高比表面积(1418 m²·g^-1)和木材衍生的分级多孔结构表面上丰富的活性位点以及酶解诱导的微孔和中孔，由厚碳电极组装的对称超级电容器可以实现0.21 mWh·cm^-2/0.99 mWh·cm^-2的高面积/体积能量密度，并且在20mA·cm^-2下经过15 000次长期循环后仍具有86.58%的优异稳定性。重要的是，设计高比表面积材料的简单通用策略可以为实现多功能应用提供了新的研究思路。相关论文发表在Advanced Functional Materials。

 

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202101077

图1.木材碳的扫描电镜图像。

 

图2.a)N₂吸附/解吸等温线，b)相应的孔径分布，c)拉曼光谱.

 

图3. 碳化钨和碳化钨-E-50-24、碳化钨-E-50-48、碳化钨-E-50-72、碳化钨-E-100-24和碳化钨-E-100-48电极的电化学性能。

 

图4.碳化钨-E-100-48//碳化钨-E-100-48对称超级电容器装置的电化学性能。

 

图5. 各种SSC电化学性能的多维比较。

总之，本文成功地展示了用于设计合成分级多孔结构的基于酶解的木材加工，然后可以将其碳化成分级多孔碳化钨，用作厚的自支撑超级电容器电极。具体地说，纤维素酶对纤维素的水解导致在木材衍生的中空管状细胞中均匀地形成中孔和微孔，从而形成分级多孔结构。所获得的电极显示出1418 m²·g^-1的高比表面积，在1.0 mA·cm^-2可达到高达384F/g和8.41F cm^-2的电容值，高于用于超级电容器的大多数其他碳衍生电极。因此，组装后的固态继电器显示出10.97瓦时每千克的高能量密度和26.33瓦每千克的功率密度，并且在15000次循环后具有86.58%的出色循环稳定性。

这项工作代表了一种绿色和温和的合成方法，以产生高比表面积的纳米结构。相比之下，以前的报告依赖于使用有害蚀刻剂的苛刻处理条件，因此不仅在能源领域，而且在水处理和光催化方面都具有重要意义。本文预计，酶解处理策略并不局限于椴木，还可以应用于其他种类的木材，以调节其孔结构。（文：SSC）