近日，我院生物质绿色技术研究团队韩奎华教授课题组采用特色植物材料制备超级电容器电极用多孔炭研究中取得进展。研究人员采用植物薄壁组织材料通过炭化、再与KOH、三聚氰胺混合同步活化，制备了层次孔结构的氮掺杂多孔炭，并将其用于超级电容器电极，表现出了优异的超级电容性能、倍率性能和长循环寿命。相关研究成果以“Fabrication of High Performance Structural N-doped Hierarchical Porous Carbon for Supercapacitor”为题，在线发表在碳材料领域国际知名期刊Carbon (DOI: 10.1016/j.carbon.2020.03.044)。该论文第一作者是2015级博士生李金晓，通讯作者为韩奎华教授，山东大学为主要完成单位，合作者为佐治亚理工学院王栋博士后。
多孔炭因其制备工艺成熟、性能稳定，成为商用超级电容器的主要电极材料，石油焦、树脂、淀粉、葡萄糖等也逐渐被开发成为制备超级电容用活性炭的原料，但存在制备成本高，比电容较低、杂质多等缺陷，也成为限制电容电池电极应用、超级电容器储能密度提高的瓶颈问题。目前迫切需要开发比表面积、孔径分布及连通性协调合理的多孔炭，从而实现电解液储存、输运、扩散和离子吸附过程的高效协同，实现高比电容、高倍率性能、高电导率、长循环稳定性。业界通常采用多步热化学过程构建微孔、中孔和大孔共存的分级孔结构，以及优化多孔炭的形貌、孔结构、杂元素掺杂等提升电容性能。如何采用热化学工艺对多孔炭的比表面积、孔道结构、含氮官能团实现精准协同调控成为亟待解决的问题。
针对上述问题，在韩奎华教授的指导下，课题组采用植物薄壁组织、维管组织材料为原料，炭化后将KOH和三聚氰胺混合浸渍，高温活化造孔和氮掺杂协同实现，多孔炭比表面积为2642 m2/g，采用6M KOH电解液制备的双电极扣式电容，电化学测试表明，当电流密度为1 A/g时，比电容从364 F/g增加到715 F/g，并显示出良好的倍率性能（526 F/g在100 A/g时）和循环性能（在5 A/g下5000次循环后98.28%的电容保持率）。当功率密度为200 W/kg时，能量密度达到118 Wh/kg。高比电容主要来源于电双层电容，与传统的表面掺杂相比具有明显的优势。氮原子稳定地嵌在碳骨架中，N-Q官能团对比电容和循环性能均有明显改善作用。因此，该工作为不同用途的高性能氮掺杂多孔炭设计和制备提供新的方法和指导。
近年来，韩奎华教授课题组一直从事生物质热化学研究，主要在生物质燃料提质及清洁燃烧、生物炭制备及应用开展研究，获得系列创新性成果，近五年在Energy,Fuel,Renewable Energy,Bioresource Technology,Nanoscale,Ultrasonics Sonochemistry,Microporous and Mesoporous Materials等国内外本领域主流刊物以第一或通讯作者发表论文30余篇，1篇入选ESI高被引论文。围绕生物质燃料及清洁燃烧、生物炭制备及应用取得授权及申请发明专利30余项。
上述系列研究工作得到了国家自然科学基金项目、山东省重点研发计划项目、山东省自然科学基金项目、山东大学基本科研业务经费交叉学科培育项目的大力支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.03.044
https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2019.104756
