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化学工程学院储伟教授课题组在Advanced Functional Materials上发表封面论文

发布时间 :2019年02月01日 来源 :化学工程学院 编辑 :廖芹

近日,龙8游戏平台化学工程学院储伟教授与清华大学、沙特阿卜杜拉国王科技大学等高校学者合作在高能量-功率密度超级电容器研究方面取得重要进展,相关研究成果“Cross-Coupled Macro-Mesoporous Carbon Network toward Record High Energy-Power Density Supercapacitor at 4 V”发表于国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》(IF=13.325),并选做封面论文。龙8游戏平台化工学院2017级博士研究生李敬为该论文第一作者,化工学院为第一单位。

 

图1 (左)封面展示,借助“大禹治水”疏通河道的思想来暗喻电解质离子在大孔-介孔碳电极材料的快速传输;(右)大孔-介孔碳在4 V超级电容器中的性能

超级电容器相对于锂离子电池具有超高的功率密度和长寿命而备受关注。然而基于离子吸脱附储能机理的双电层电容,由于其能量密度较低,大大限制了实际应用。根据双电层的储能公式:E=0.5CV2,能量密度与电极材料的比电容C以及工作电压V的平方成正比。因此,高能量密度的超级电容器要求电极材料能提供大的比电容,同时需要合适的电解液在宽的工作电压下而不发生分解。解决这一办法的常用途径是将多孔碳电极材料与宽电压窗口的离子液体电解液进行搭配。然而,由于离子液体自身尺寸较大,粘度较高,在与多孔碳材料(尤其是微孔活性炭)进行匹配时,往往由于材料的孔结构与离子液体的尺寸不匹配,导致离子在孔内的吸脱附过程(质量传递)变得异常艰难,最终提升了能量密度,而丧失了超级电容器自身高功率密度的优势。如何克服多孔碳材料和离子液体之间的兼容性问题,使超级电容器发挥高能量-功率特性是一项巨大的挑战。

基于这一关键问题,课题组研究人员采用绿色低成本的盐模板法,从生物质明胶中制备出了一种独特的大孔-介孔耦合碳电极材料,并以EMIBF4离子液体为电解质,在4V的工作电压下,取得出色的能量-功率性能,在1 kW kg-1的功率密度下,获得92 Wh kg-1的能量密度,在200 kW kg-1下,仍能保留39 Wh kg-1,达到目前同类多孔碳材料性能最高值。该电极材料的特点在于: 介孔尺寸在2-4 nm,是EMI+和BF4-尺寸的3~5倍,同时大量的介孔都镶嵌耦合在50-150 nm的大孔骨架中,此类大孔-介孔耦合的结构为EMI+和BF4-提供了流畅的传输路径,极大地改善了电解质在孔内的质量传递,使得功率密度得到有效的保证。同时,由于该材料具有~2800 m2 g-1的超高比表面积,保证材料具有充足的吸脱附活性位点,利于电荷大量存储。

图2 大孔-介孔碳的结构特征

 

图3 盐模板法制备大孔-介孔碳的思路

对于制备方法,值得一提的是,廉价的NaNO3可溶盐既是大孔的物理模板剂,同时在600 oC以上,也是产生介孔的化学活化剂。在后续除模板过程中,无需通过酸清洗,直接采用水洗的方法便能得到高纯度的材料,通过更换其他盐模板或者碳源,能够获得一系列的多孔材料,具有方法学上的普适性。同时。该大孔-介孔碳可放大制备,制作出接近商业负载量(~8 mg cm-2)的超级电容器软包,能够给多种器件持续供能,具有较大的应用潜力。

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图4 (左)封底展示,金属模板法制备的洋葱碳和金属复合材料;(右)微波快速合成的NiCo双氢氧化物用于电化学储能。

另外,课题组前期在超级电容器领域也取得了一系列进展。采用金属模板法获得多功能的高性能储能材料,相关成果Flexible metal-templated fabrication of mesoporous onion-like carbon and Fe2O3@N doped carbon foam for electrochemical energy storage(封底论文)”发表在《Journal of Material Chemistry A》(IF=9.931)。

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开发了一种微波快速合成高稳定性α相NiCo双氢氧化物的方法,成果“High-stable a-phase NiCo double hydroxide microspheres via microwave synthesis for supercapacitor electrode materials”发表在《Chemical Engineering Journal》(IF=6.735)。

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