浙江大学：皮皮虾壳为原料制备碳气凝胶，用于高能量超级电容器

成果简介

本文，浙江大学王树荣教授团队在《J. Mater. Chem. A》期刊发表名为“Green fabrication of pore-modulated carbon aerogels using a biological template for high-energy density supercapacitors”的论文，研究创新性地提出了生物模板辅助合成碳气凝胶作为SC电极材料的策略。以壳聚糖为碳源，醋酸为交联剂，以具有阵列通道的皮皮虾壳灰为生物模板，使壳聚糖基碳气凝胶在去除模板后获得相应的孔阵列结构。同时，去除模板中的 CaCO3 并进一步对碳材料进行 KOH 活化，促进了多孔结构的形成，而原料中的 N/O 杂原子则成功嵌入到碳骨架中。

基于这些特点，获得的 BAPC-X（B 代表生物模板，A 代表气凝胶，PC 代表多孔碳，X 代表 700、800 和 900 °C 的活化温度）达到了 401 F g-1 （0.5 A g-1）的高比电容和 82.5 W h kg-1 （437.5 W kg-1）的高能量密度。通过 Trasatti 和 Dunn 法以及离子扩散动力学分析，揭示了电容分布和离子传输特性。此外，还利用 COMSOL Multiphysics 软件从电解质在不同孔径结构中的传输分布角度探讨了 MSS 模板（MSST）对碳气凝胶孔径调节的影响机制。这项研究为多维利用海洋贝壳废物合成高性能碳电极材料提供了一种创新方法。

图文导读

图1、 （a） BAPC-X的合成示意图;（b） MSS、（c） MSST 和 （d） BAPC-800 的 SEM 图像;（e和f）BAPC-3的TEM图像和（g-g800）TEM-EDS元素映射。

图2 、（a） MSST的XRD图谱;（b） 所有样品的XRD图谱和（c） 拉曼光谱;（d） BAPC-800的拉曼拟合曲线。

图3.(a) BAPC-X和AC-800的XPS光谱；BAPC-800 的高分辨率 (b) C1s、(c) N 1s 和 (d) O1s 光谱。

图4、三电极系统中6M KOH电解液的电化学性能

图5、在双电极系统中使用 6 M KOH 电解液的 BAPC-800 的电化学性能

图6、 (a) BAC-800、AC-800 和 BAPC-800 在 0.08 秒时电解质的模拟扩散分布；(b) BAC-800、AC-800 和 BAPC-800 的有效扩散系数；BAPC-800 在 EMIMBF4 离子液体电解质中在双电极系统中的电化学性能：(c) 不同电压窗口下 50 mV s-1 的 CV 曲线；(d) GCD 曲线；(e) Ragone 图。

小结

本研究采用低成本的 MSST 辅助制备了具有阵列通道的壳聚糖基碳气凝胶，为高性能碳电极材料的制备提供了一种新方法，从而实现了贝类废弃物的高效利用。

文献：

https://doi.org/10.1039/D3TA04486F