南京农业大学汪快兵Chemical Engineering Journal：生物质衍生碳材料在超级电容器领域的应用：进展与前景

生物质衍生碳材料在超级电容器领域的应用：进展与前景

第一作者：卢文杰

通讯作者：汪快兵*

单位：南京农业大学

在当前能源危机和环境污染问题日益严重的情况下，清洁、可再生能源的开发和利用成为全球关注的焦点。超级电容器因其高功率密度、快速充放电能力和长循环寿命而备受关注。而生物质衍生碳材料因其丰富的来源和优异的电化学性能，被认为是制备超级电容器电极材料的理想选择。本文综述了生物质衍生碳材料在超级电容器中的应用进展，探讨了其在提升超级电容器性能方面的潜力和挑战。

近日，南京农业大学的汪快兵教授课题组在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为《Biomass-derived carbon applications in the field of supercapacitors: Progress and prospects》的综述文章。该文章系统地总结了生物质衍生碳材料在超级电容器中的应用现状，分析了不同生物质原材料和制备方法对碳材料结构及电化学性能的影响，并展望了未来的发展方向。

要点一：生物质衍生碳材料的多样化制备方法

研究团队探讨了多种生物质原材料（如木材、果皮、农作物秸秆等）的碳化、活化和热解工艺，详细分析了这些工艺对碳材料比表面积、孔隙结构及其电化学性能的影响。通过优化热解温度、活化剂种类和比例，可以显著提升碳材料的微孔和中孔结构，从而提高其比电容和能量密度。

要点二：优异的电化学性能评估

该综述总结了不同生物质衍生碳材料在超级电容器中的电化学性能，具体包括：

· 比电容：生物质衍生碳材料在较宽的电压窗口内展示了高比电容值，特别是在水系电解质和有机电解质中均表现出优异性能。

· 能量密度和功率密度：通过合理设计孔结构和表面化学特性，这些碳材料能够在高电流密度下保持稳定的能量输出。

· 循环稳定性：多种生物质衍生碳材料经过数万次充放电循环后仍能保持较高的容量保持率，展现出卓越的循环稳定性。

要点三：结构特性与电化学性能的关系

通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、拉曼光谱和氮气吸附-脱附等技术，研究团队详细表征了生物质衍生碳材料的孔隙结构、比表面积和表面化学性质。结果表明：

· 微孔和中孔结构：微孔有助于电荷存储，而中孔则促进离子扩散，二者的协同作用提升了电极材料的电化学性能。

· 表面化学改性：引入含氧官能团（如羧基、羟基）能够显著提高材料的电化学活性和亲水性，从而改善其在水系电解质中的性能。

要点四：未来研究方向

尽管生物质衍生碳材料在超级电容器领域展现了巨大潜力，研究团队也指出了当前存在的挑战和未来的研究方向，包括：

· 优化制备工艺：开发低成本、环保的制备方法，以实现材料的规模化生产。

· 探索新型生物质原材料：寻找更多来源广泛、制备简单且性能优异的生物质原材料。

· 提升材料综合性能：通过多功能复合材料的设计，进一步提高碳材料的导电性、机械稳定性和电化学性能。

· 实际应用测试：推进生物质衍生碳材料在实际超级电容器中的应用测试，以验证其在商业化应用中的可行性。

Biomass-derived carbon applications in the field of supercapacitors: Progress and prospects

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894724047995

汪快兵：南京农业大学理学院化学系副教授，长期从事MOFs、MOFs衍生与微纳碳材料的储能性能、纳米农药与塑料降解方面的工作。现主持国家自然科学基金面上项目1项，江苏省青年基金1项，校内外联合项目4项，中央高校科研业务费2项，骨干参加国家重点研发、国家自然科学基金多项。

迄今在Small，Smartmat，EnergyChem，Small Structures, ACS Applied Materials & Interfaces，Journal of Power Sources，Chemical Engineering Journal，Nanoscale， Chemsitry-A European Journal，Inorganic Chemistry，Crystal Growth & Design，CrystEngComm，Dalton. Transactions，ACS Materials Letter等在内的化学类期刊上发表SCI论文60余篇，多篇高倍引论文，h-index为29，他引3200余次，担任Progress in Natural Science: Materials International和《结构化学》青年编委，Frontiersin Chemistry，Materials杂志专刊客座编辑。此外，申请国家发明专利3项，期间担任JACS, Angew Chem, Chemical Science、Chem. Eur. J.、Nanoscale、CrystEngComm、ACS Appl. Mater. Interfaces等国际期刊的审稿人。

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