江蘇大學：生物質氮摻雜碳氣凝膠在電催化和超級電容器中的應用

簡介

生物質衍生的碳氣凝膠是指以生物質為前體製備的碳氣凝膠。環保，便宜且具有豐富的前驅物，引起了廣泛的興趣，並在電催化（例如，析氫，析氧和氧還原反應）和能量存儲（即，用作超級電容器的電極材料）領域表現出優異的性能。。此外，可以在不破壞原始3D結構的同時將金屬種類摻入多孔碳基質中，同時改善其導電性和電化學性能。最重要的是，大多數生物質材料都具有氮功能，可以在不添加任何添加劑的情況下原位摻雜（自摻雜）雜原子（例如N），從而產生其他缺陷和具有增強的電子密度和電子貢獻屬性的活性中心。本文總結了近十年來生物質衍生的碳氣凝膠的電化學應用，特別是在水電解，金屬空氣電池，燃料電池和超級電容器等領域。簡要強調了當前的研究挑戰和未來的方向。

圖1、碳氣凝膠的發展

在本文中，我們旨在從兩個方面討論生物質衍生的N摻雜碳氣凝膠在電催化和超電容中的應用：

（1）雜原子摻雜的無金屬生物質衍生的N摻雜碳氣凝膠用於電催化/超級電容器。

（ 2）用於電解/超級電容器的金屬摻雜（單原子，碳化物，氧化物，硫族化物等）的生物質來源的N摻雜碳氣凝膠。最後，簡要介紹了生物質衍生的碳氣凝膠的現有挑戰和前景。

小結與展望

生物質衍生的碳氣凝膠（碳氣凝膠）是世界上最輕的材料之一。它們是具有明顯特徵的三維（3D）高孔隙率物質，包括大的BET表面積，高孔隙率，超低密度，高機械強度，良好的導電性，疏水性，良好的化學穩定性以及可調節的表面化學性質等。本文討論了它們在電催化和電化學儲能中的應用，特別是超級電容器。纖維素，殼聚糖，木質素，單寧和諸如香蕉皮和廢報紙的生物質廢物通常用於合成生物質衍生的碳氣凝膠。生物質的使用為製備碳氣凝膠提供了一種簡便，經濟高效且可持續的方法，同時也解決了廢物管理的問題。生物質材料作為碳氣凝膠製造的潛在前體具有令人鼓舞的未來。

特別是對於HER，OER和ORR的電催化，它們可以自己充當催化劑，還可以充當金屬和金屬氧化物的催化劑載體，以防止聚集和溶解，從而減少活性位點的數量，從而降低催化性能。這是因為，反應發生在三相界面，只有暴露的活性位點可以使用。它們已被用作製造單原子催化劑（SAC）的底物，效果很好。它們對化學侵蝕具有高度抵抗力，從而將腐蝕和/或嵌入其中的金屬納米顆粒的剝落降至最低。碳氣凝膠的3D多孔框架使活性物質易於擴散，並且還有助於在電催化過程中電解質和反應物質的運動，同時增加了活性位點。此外，用諸如N的雜原子摻雜氣凝膠還降低了中間體與催化劑表面之間的結合能，這有助於改善催化劑的性能。另外，金屬納米顆粒和雜原子之間的協同作用保證了增強的活性。

在超級電容領域，理想的超級電容器電極材料應具有3D分層多孔框架，該框架具有用於離子緩衝儲庫的大孔，用於快速離子傳輸的作為離子通道的中孔和用於增加電荷存儲的微孔。具有3D多孔結構的碳氣凝膠對於高比電容非常有利，因為它們的高比表面積和輪廓分明的孔為離子提供了光滑的電子導管，除了具有良好的導電性外，還通過減少擴散路徑來保證更容易移動。此外，當將過渡金屬氧化物種類引入碳基質中時，可以提高碳氣凝膠電極的比電容。雖然，

當前，尖端的碳氣凝膠不能滿足廣泛的應用需求，並且面臨一些限制其實際使用的困難。

（1）合成時間長

（2）使用超臨界CO 2等乾燥技術乾燥和冷凍乾燥是能源密集型的，增加了操作成本。

（3）電子傳輸和離子傳輸對於確定比電容至關重要，這取決於生物質衍生的碳氣凝膠的孔徑和尺寸分布。目前，要精確地控制源自生物質的碳氣凝膠的孔隙結構和尺寸而又不使結構收縮和塌陷是非常困難的。迫切需要開發新策略來生產具有優化的可控孔結構的碳氣凝膠，因為這將提高電化學性能。

（4）所使用的大多數前體也很昂貴，希望轉向生物質作為前體可以降低經濟成本。我們預計，隨著未來對碳氣凝膠的進一步研究，