神奇!我國科學家用小龍蝦殼製備高性能電極材料,性能優勢明顯

2020-12-09 中國科學技術館

小龍蝦是人類最常見的食物來源之一。在傳統工藝中,約80%的小龍蝦殼會成為廢棄物,每年會產生約10萬噸小龍蝦殼。

一方面,小龍蝦殼在自然中隨意丟棄或填埋會導致環境汙染。另一方面,適當處理這些廢物的成本可能很高——例如,在澳大利亞,每噸高達150美元。

值得注意的是,小龍蝦殼有一個獨特的成分,它包含三個基本的化合物,即蛋白質(20%-30%)、碳酸鈣(30%-40%),甲殼素(20%-30%)。此外,還鑑定了一些次要成分,包括脂質、蝦青素和其他礦物質。合理利用豐富的小龍蝦殼資源越來越受到研究者的關注。

從小龍蝦殼中提取有用的化學物質是一種吸引人的環保方法。比如,螯蝦殼的主要成分——甲殼素作為淡水小龍蝦綜合利用的初級產品,已經廣泛應用於日化、醫藥、食品加工等諸多領域。

將小龍蝦殼轉化為功能性材料,則是實現廢物回收利用的另一種方法。近年來,一些學者利用小龍蝦殼粉碎和小龍蝦殼生物炭去除廢水中的重金屬離子。結果表明,具有天然特殊結構的螯蝦殼粉和螯蝦殼生物炭具有較強的重金屬離子去除能力。選擇合適的物質改性螯蝦殼生物炭可以有效提高其吸附能力。此外,基於小龍蝦殼的材料結構和功能特性,已經合成了一系列功能材料,可以用來解決全球性的挑戰。

近幾十年來,小龍蝦殼及其衍生物的巨大應用潛力日益受到人們的關注。

在日前發表在國際知名期刊《碳》(Carbon)上的論文中,中國科學技術大學的科學家們帶來了螯蝦殼分離和應用的最新進展。

該校科研團隊採用新方法,將廚餘垃圾中的小龍蝦殼等合成製備成一種高性能電極材料!變廢為寶太神奇!

據悉,中國科學技術大學工程科學學院熱科學和能源工程系朱錫鋒教授研究團隊提出「廢棄生物質製備高性能超級電容器電極材料」的新方法,採用農林廢棄物熱解獲得的重質生物油和廚餘垃圾中的小龍蝦殼,通過簡單的合成即可製備高性能超級電容器的電極材料。

(註:小龍蝦殼燃料電池形成過程示意圖,圖源American Chemical Society)

在題為「A review on conversion of crayfish-shell derivatives to functional materials and their environmental applications」的論文中,他們首先介紹了分離螯蝦殼主要成分並將其轉化為功能性碳基材料的典型方法。並綜述了螯蝦殼及典型改性螯蝦殼生物炭在吸附、抗菌、電化學等方面的應用。

一般來說,螯蝦殼中主要含有約20%-30%的甲殼素、30%-40%的蛋白質、30%-40%的碳酸鈣,以及脂質、蝦青素等礦物質等微量成分(表1)。提取這些成分的方法多種多樣。

這項成果主要基於生物模板-鹼活化的方法,以小龍蝦殼為輔助材料,從重質生物油中成功合成了具有超高比表面積、高孔容和適宜氧原子含量的分層多孔碳。

同時,他們還研究了活化溫度對分層多孔碳雜原子含量的影響,並對獲得高性能超級電容器電極材料的工藝條件進行了優化。

(圖:基於小龍蝦殼的PC-Co3O4納米複合材料製備工藝)

研究顯示,與現有電極材料性能相比,朱錫鋒教授研究團隊所製備的分層多孔碳在超級電容器性能測試中,表現出寬工作電壓、高能量密度的明顯優勢,可用於包括電動汽車在內的諸多應用領域。

碳材料因其大孔徑、大表面積和高導電性而被廣泛應用於吸附、催化和儲能。小龍蝦殼轉化為碳材料工藝簡單,可用於處理大量的小龍蝦殼廢棄物。到目前為止,小龍蝦殼廢棄物已被用於製備碳材料,如富鈣生物炭、摻雜氮的多孔碳和碳點。

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