金屬所研制成功一種新型多孔炭材料
中科院金屬所沈陽材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實驗室*炭材料研究部成會明、李峰副研究員和博士生王大偉等與澳大利亞昆士蘭大學(xué)逯高清教授合作，在國家自然科學(xué)基金委的支持下，設(shè)計并制備出一種局域石墨化三維層次多孔結(jié)構(gòu)的新型多孔炭材料(Hierarchical Porous Graphitic Carbon, HPGC)。
該研究組研究了在多孔炭電極中發(fā)生的基本電化學(xué)過程(J. Phys. Chem. B 2006, 110, 8570-8575)，發(fā)現(xiàn)多孔電極的電荷存儲能力由多孔結(jié)構(gòu)的離子傳輸性能(受孔的尺寸、形狀及取向等因素影響)、多孔炭的電子導(dǎo)電性以及電解液性質(zhì)和電解液與炭材料之間的物理化學(xué)相互作用等因素所決定。據(jù)此他們提出將不同尺度孔(大孔－中孔－微孔)以三維網(wǎng)絡(luò)形式組裝，同時盡可能獲得局域石墨片層結(jié)構(gòu)的電極材料設(shè)計思想。其設(shè)計原理是：局域石墨化三維層次多孔結(jié)構(gòu)(HPGC結(jié)構(gòu))可充分利用大孔結(jié)構(gòu)作為準體相的電解液儲存池以縮短離子擴散距離，中孔結(jié)構(gòu)提供快速的離子輸運通道，大孔－中孔協(xié)同作用可實現(xiàn)電解液離子在多孔炭電極中的準體相快速擴散行為；微孔的高靜電吸附容量賦予優(yōu)異的電化學(xué)儲能活性；局域石墨片層則能夠提高材料本體的電子導(dǎo)電性(參見圖1)。HPGC結(jié)構(gòu)可有效增加離子可利用的電化學(xué)活性表面積和電化學(xué)活性，并顯著降低大電流導(dǎo)致的電位極化，從而獲得在高倍率條件下高能量/高功率密度的電化學(xué)能量存儲與轉(zhuǎn)換能力。
HPGC結(jié)構(gòu)的諸多特點，使其制備十分困難。為此科研人員提出了采用液相無機模板方法，制備出具有上述大孔－中孔－微孔三維層次孔結(jié)構(gòu)和局域石墨片層結(jié)構(gòu)的HPGC材料。實驗結(jié)果證明，HPGC材料比活性炭和有序介孔炭材料具有更加優(yōu)異的高倍率電化學(xué)能量存儲與轉(zhuǎn)換能力。優(yōu)異的高倍率儲能性能在水系和有機系電解液中均能實現(xiàn)，該性能超過美國提出的PNGV((the Partnership for a New Generation of Vehicle)功率指標(biāo)(參見圖2)。如果進一步提高電解液的工作電壓，在保持優(yōu)于PNGV功率密度指標(biāo)的同時，還可望實現(xiàn)更高的能量密度。這些結(jié)果表明局域石墨化三維層次多孔結(jié)構(gòu)炭材料有望成為電動汽車超級電容器用優(yōu)良的電極材料。
此外，上述液相無機模板方法還是一種普適的多孔材料合成方法。通過調(diào)節(jié)模板材料的物理化學(xué)性質(zhì)，能夠獲得具有不同結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)如帶磁性的層次孔炭材料及炭基復(fù)合材料，這些材料在磁性分離、催化等清潔能源與環(huán)境保護領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
金屬所研制成功一種新型多孔炭材料
