2023年7月26-28日，Green Carbon首届编委会暨2023国际绿碳科学大会在青岛召开。Green Carbon编委、北京化工大学邱介山教授应邀出席。
在首届编委会上，邱介山教授指出，Green Carbon的定位是绿碳科学领域的旗舰期刊；同时，建议编委踊跃向期刊供稿，助力期刊高质量发展。
图1 邱介山教授在Green Carbon首届编委会上指导期刊发展
功能碳材料，助力世界可持续发展
随着人们对能源和环境问题的日益关注，生物质高值化利用成为研究热点。生物质基功能碳材料具有可再生性、孔结构可调性和多变的物理化学性质，在能源存储和转换领域具有广阔的应用前景。在本次邀请报告中，邱介山教授总结和介绍了课题组近年来在煤炭和生物质衍生碳材料的合成、碳杂化水滑石复合材料的制备及其在超级电容器等能源方面应用的工作进展，从界面化学工程角度解析功能碳材料的结构与性能之间的关系，并对生物质基功能碳材料的发展和应用进行了解读和展望。
图2 邱介山教授在2023国际绿碳科学大会上做邀请报告
煤基先进功能碳材料的创制
煤炭是一种天然的高分子材料，全球每年消耗接近80亿吨。其中，中国约占产量和消耗的50%。随着“双碳”目标的提出，煤炭作为能源载体的比重会越来越低。但以煤/煤沥青为原料，创制先进功能碳材料，是煤/煤沥青精细化高附加值深加工发展的重要途径。比如，以煤炭为前驱体合成煤基高品质石墨烯，根据不同的煤炭种类和处理条件，石墨烯的收率、形貌、尺寸亦会发生改变，且产量丰富、价格相对便宜。以煤焦油沥青为前体，基于硬模板法合成三维空心多孔石墨烯球，改变沥青和硬模板种类（MgO、Fe₂O₃、ZnO、K₂CO₃），可定制尺寸和表面性质可调的三维空心多孔石墨烯球。
图3 煤炭衍生的高品质石墨烯
生物质基功能碳材料在超级电容器中的应用
生物质资源丰富、廉价易得、绿色可再生，在我国每年产量约为5亿吨。这为生物质基功能碳材料的制备提供了丰富的碳源。同时，生物质基功能碳材料的开发应用有助于实现生物质废弃物的增值利用。生物质化学组成独特，具有丰富的基团和多级结构，作为制备功能碳材料的前驱体具有天然的优势。
超级电容器是一种新型储能装置，主要用于多次快速充放电的能源储存领域，通常需要具有较高的能量密度和功率密度。然而，由于离子和电子传输的动力学缓慢，导致超级电容器储能性能差。设计组装具有多级孔结构、优良的导电性及稳定性和可调谐的表/界面性质的功能碳电极材料为以上问题的解决提供了思路。
生物基功能碳材料恰好能满足以上需求。比如，以稻壳为原料合成的多孔碳在超级电容器中具有广阔的应用前景。邱介山教授课题组系统地研究了稻壳基多孔碳的多级孔结构的形成机理，以及孔隙结构与电化学性能之间的构效关系。研究发现，稻壳基多孔碳材料的微孔结构为电解质离子提供了大量的吸附位点，从而获得了较高的比电容，而介孔耦合大孔结构为电解质离子提供了快速传输通道，对稻壳基多孔碳材料优异的倍率性能起着关键作用。稳定的骨架结构以及良好的导电性保证了稻壳基多孔碳材料优越的循环稳定性。
图4 稻壳基多孔碳材料在超级电容器中的结构-性能关系
邱介山教授进一步介绍了以NH₄Cl为改性剂的低温脱水固碳策略，这种“一石二鸟”的技术策略，大幅度提升了稻壳基多孔碳材料的收率和性能。通过该方法，稻壳基多孔碳材料的收率提高了1.2倍，且电极的体积能量密度提高了37.1%，大大提高了其在超级电容器中的实际应用潜力。随后以煤沥青为化学改性剂，与得到的稻壳基多孔碳材料共同处理，制备了软碳和硬碳兼具的铠甲稻壳基多孔碳材料。生物质基多孔碳与沥青碳铠甲层的协同作用，能有效抑制超级电容器的漏电流和自放电。
碳-水滑石复合材料在能源储存和转化中的应用
双金属氢氧化物，俗称水滑石，是一类由带正电荷的金属氢氧化物和层间阴离子构成的层状化合物，具有阴阳离子组成可调、形貌可控、易与底物反应等特点，在超级电容器、析氢/氧、氧还原、CO₂还原和锂离子电池等能源储存和转化方面具有巨大的应用潜力。但由于本身较弱的电荷传输能力，水滑石的实际应用一直受到制约。
从界面化学工程的角度分析，碳材料与水滑石的杂化复合相得益彰，既能利用水滑石丰富的活性位点和离子传输能力，又能运用碳材料的多孔结构和导电性。与水滑石中d-d共轭的缓慢电子传输相比，碳材料的平面π-π共轭体系可以作为一个额外的电子传输“路径”，使电生载流子快速传输，提高整体的反应动力学。此外，碳-水滑石复合材料的碳组分还可以促进电解质/气体传质过程，调控水滑石表面的限域效应，修饰异质结界面的电子结构，进而进一步提高性能。
图5 碳-水滑石复合材料中电子传输路径示意图
整体来看，煤和生物质衍生的功能碳材料在诸多领域显示出巨大的应用潜力，需要进一步推进各种功能碳材料的规模化制备与应用，创建能够精细调控功能碳材料结构和性能的技术方法；发展功能碳材料与水滑石等活性组分的耦合杂化方法，进一步拓展功能碳材料的应用范围。
邱介山 教授
邱介山，北京化工大学化学工程学院教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者特聘教授、国家“有突出贡献中青年专家”及国家“百千万人才工程”入选者、Green Carbon编委。主要从事功能碳材料的基础和应用研究，在Nat. Mater.、Nature Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Joule等国际顶尖期刊发表学术论文800余篇，总被引用次数超过58000次，H因子为120 (Google Scholar)，申请国内外专利160多项，其中部分专利已在国内成功商业化。曾获教育部自然科学一等奖等30余项奖励和表彰。担任Chemical Engineering Science、Battery Energy期刊的副主编和Science China Materials、Energy Technology、Carbon Energy等20多种学术期刊编委。
原文链接
邱介山教授与Green Carbon | 功能碳材料，助力世界可持续发展
Green Carbon
期刊官网：Green Carbon官网
投稿网址：Green Carbon投稿
公众号：Green Carbon公众号
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自GreenCarbon科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-3620330-1498715.html?mobile=1
收藏
