半島記者 劉金震 通訊員 崔永朋
近日，中國海洋大學材料科學與工程學院柳偉教授在新型鉀離子超級電容器研究方面取得系列進展。相關論文《冷凍條件下的類生物礦化：製備具有複雜結構與優良儲鉀性能多孔碳材料的一條新途徑》（Bioinspired Mineralization under Freezing Conditions: A New Approach to Fabricate Porous Carbons with Complicated Architecture and Superior K+ Storage Performance）和《中空碳骨架中超薄MoS2的可控分散：構建大空間實現鉀離子的快速存儲》（Controlled Design of Well-Dispersed Ultrathin MoS2 Nanosheets inside Hollow Carbon Skeleton: Toward Fast Potassium Storage by Constructing Spacious 「Houses」 for K+ Ions）先後被國際著名期刊ACS Nano (IF 13.9)和Advanced Functional Materials (IF 15.62) 刊發。中國海洋大學博士生崔永朋為第一作者，柳偉教授為通訊作者，中國海洋大學為唯一署名單位。
隨著鋰離子電池的快速發展，特別是在動力汽車和大規模儲能方面的推廣應用，導致全球鋰資源日趨緊張，嚴重限制了鋰離子電池的廣泛應用。作為鋰離子電池潛在的替代品，鉀離子儲能器件研發受到廣泛關注。鉀離子因電化學性能與鋰離子相近，儲量豐富，來源廣泛，價格低廉，從而在儲能領域表現出良好的應用前景。相關鉀離子存儲材料與器件研究已成為當前科研前沿熱點之一。然而，鉀離子半徑遠大於鋰離子，導致原有電極材料在存儲鉀離子過程中出現嚴重結構破壞，器件性能下降明顯。因此，如何設計構建新型電極材料，適應鉀離子擴散的熱力學與動力學需求，開發出低成本同時兼具高性能的鉀離子電極材料成為當前研究的熱點與難點。
針對以上問題，柳偉教授團隊利用低成本生物質為原料，借鑑於自然界中普遍存在的生物礦化現象，利用生物大分子參與誘導，在實驗室中成功實現了類生物礦化結構有機無機複合材料的可控制備，並進一步利用低溫冷凍技術，加速生物礦化過程，為該類材料的日後大規模生產奠定基礎。基於該礦化結構所製備的多孔碳材料不僅具有新穎的三維連通囊泡結構，而且作為電極材料表現出優異的鉀離子存儲性能。該研究不僅為可控制備複雜新穎的多孔碳材料提供了一條新的路徑，同時也通過師法自然實現了人工技術與天然結構的完美融合，為低成本綠色製備新材料擴展了新的空間。
圖1 生物礦化法製備多孔碳材料的示意圖與形貌圖
為了進一步提升電極材料性能，本著「為大離子構建大空間」的理念，柳偉教授團隊引入層片狀MoS2與多孔碳材料複合，並提出了MoS2納米片在多孔腔體中的自裝載和有機分子分步擴層兩種新技術。通過碳表面官能團的簡單修飾，在水熱環境下成功實現了MoS2納米片在多孔碳內的自裝載和均分分散，為鉀離子的快速傳輸與擴散奠定了基礎。同時，首次利用乙二醇和多巴胺分子實現在MoS2層狀結構中的先後分步插入，有效擴大了MoS2的層間距，從而在動力學上有效促進了電極材料的快速儲鉀行為。以該材料作為電極材料組裝的鉀離子電容器，其儲能性能得到明顯提升。
柳偉教授團隊長期從事新能源與儲能材料領域的應用基礎研究，近年來在國家自然科學基金、山東省自然科學基金等資助下利用海洋生物資源開展了新型碳材料的設計合成、電化學儲能器件等方面的研究工作，相關研究成果先後發表在J. Mater. Chem. A，ACS Appl. Mater. Interfaces，Green Chem等國際著名期刊上。本次在ACS Nano，Advanced Functional Materials上發表的研究成果是該團隊在先進儲能材料與器件研究領域取得的又一重要研究進展。
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