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黑龙江大学王蕾/付宏刚教授综述：生物质衍生碳基材料在电化学能源器件中的应用进展

邃瞳科学云

2022-04-19

导读：本综述详细介绍了生物质衍生碳基材料的合成策略以及作为电极材料在电化学能源器件中的研究进展。

文章信息

生物质衍生碳基材料在电化学能源器件中的应用进展

第一作者：张光颖

通讯作者：王蕾*、付宏刚*

单位：黑龙江大学

研究背景

气候变化是人类面临的全球性问题，实现二氧化碳排放量“收支相抵”是一场能源革命。在此过程中，可再生能源将替代化石能源成为主体能源。因此，构建清洁能源为主体的新型能源器件是至关重要的。开发高效、廉价的电极材料是能源器件发展的前提。碳材料具有多种结构和优良的导电性，已被认为是主要的电极材料。然而，碳材料合成中的高成本限制了其大规模生产应用。利用废弃生物质原料制备碳基催化剂，不仅成本低，还能减轻碳排放和环境污染，而且促进了能源转化，适合大规模生产。

文章简介

基于此，黑龙江大学王蕾/付宏刚教授等在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为 “Recent advances of biomass derived carbon-based materials for efficient electrochemical energy devices” 的综述文章。

本综述详细介绍了生物质衍生碳基材料的合成策略以及作为电极材料在电化学能源器件中的研究进展。文中首先介绍了几种生物质结构和碳结构。然后，总结了生物质衍生碳材料的合成策略及其优缺点。此外，重点介绍了碳材料的形貌和结构对电催化性能的影响，以及它们在能源器件中的发展和应用。最后，对生物质衍生功能碳基材料制备中的关键挑战以及未来发展应用的方向进行了展望。

本文要点

要点一：合成策略综述

本文综述了生物质衍生碳材料的合成策略（包括：水热碳化、化学活化法、软硬模板法、熔融盐策略、冷冻干燥、静电纺丝技术），并评述了这些策略的优缺点。

要点二：提高电催化性能的方法

介绍了一些提高材料（从非金属碳材料到载金属碳基材料）电催化性能的方法，包括杂原子掺杂，形貌控制、缺陷工程、配位调控。

要点三：应用进展

本文详细概述了生物质衍生碳基材料在电化学能源器件（包括燃料电池、电化学分解水、金属-空气电池、超级电容器、锂离子电池、钠离子电池、锂-硫电池和柔性器件）中的应用进展。着重介绍在燃料电池、电化学分解水、金属-空气电池的发展应用，介绍了器件的原理、电极材料的设计原则及面临的挑战。

要点四：观点和展望

对生物质碳基材料未来的发展提出了观点和展望。包括：

1. 促进农业废弃物的利用。加强对农业废弃物的有效利用，将为能源的可持续发展做出巨大贡献。尤其是未来的工作应加强将农业秸秆直接发展成不同结构的电极材料，最终实现大规模的制备和应用。

2. 高性能电极材料的设计与合成。需要更多的原位表征和/或理论计算来确定反应活性位点，未来的研究需要重点关注对活性部位的了解。

3. 提高电极材料的稳定性。

4. 应进一步加强在能源器件方面的应用。如何利用生物质制备具有不同结构的催化剂，以满足不同器件的高性能要求，是今后工作的关键研究方向。特别是，目前的大多数应用仍然是基于半反应，全电池的应用需要进一步发展。此外，除了作为电极材料，其他应用也应该扩展。例如，利用生物质取代传统的化石能源制造碳布、碳纸等。碳布和碳纸常被用作气体扩散层，广泛应用于电化学能量器件中。这不仅可以促进电化学能源器件的发展，而且可以充分体现“双碳”战略，为生物质的利用开辟新的途径。

5. 实现大规模可控的合成。

文章链接

Recent advances of biomass derived carbon-based materials for efficient electrochemical energy devices

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ta/d2ta01442d

通讯作者简介

王蕾教授

现为黑龙江省优秀青年基金、黑龙江省英才计划、中国博士后科学基金特别资助获得者。主要从事二维石墨烯基碳材料的合成及应用研究。发展了以生物质为原料的“基团配位组装析碳法”制备石墨烯材料的方法，并实现了生物质石墨烯材料的产业化生产及应用；制备了过渡金属碳基复合材料，探究其在金属-空气电池、燃料电池等能源器件中的应用，并利用理论计算结合原位技术阐明反应机制。在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Sci.、Small等国际学术期刊发表研究论文50余篇，有3余篇论文进入ESI Top 1%高被引用论文，1篇论文进入ESI Top 0.1%热点论文。授权中国发明专利20余项，国际发明专利3项。主持国家自然科学基金及省部级项目10余项，获黑龙江省技术发明奖一等奖1项。

付宏刚教授

黑龙江大学功能无机材料化学教育部重点实验室主任。教育部长江学者奖励计划特聘教授，首批“国家万人计划”百千万工程领军人才，新世纪百千万人才工程国家级人选。英国皇家化学会会士，教育部科技委员会化学化工学部委员。2018-2021连续3年入选科睿唯安全球高被引科学家。主持及承担国家自然科学基金重点项目、科技部重点研发计划项目等国家级项目20余项。主要从事光催化和电催化领域的材料设计合成、结构调控，在材料尺寸，晶相，缺陷的选择性控制合成及其在光催化、电催化制氢，有机物合成以及ORR，OER等催化反应过程中的活性和稳定性，反应机制等方面开展工作。作为通讯作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Chem. Soc. Rev.、Energy. Environ. Sci.等期刊发表研究论文300余篇，被引用24000余次，H因子83，有50余篇论文进入ESI Top 1%高被引用论文，4篇论文进入ESI Top 0.1%热点论文。获省科学技术奖一等奖3项，获授权发明专利30余项。

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