碳气凝胶开发氛围电池新路径

 
从造纸原质推测氛围电极——  
碳气凝胶开发氛围电池新路径  
 

辞别燃料电池中的粉末状催化剂，研究者首次制备出3D蜂窝状布局的碳气凝胶，促进回响进程一体化，让催化剂更“听话”。（图片来历：华南理工大学传授彭新文课题组）

在华南理工大学制浆造纸工程国度重点尝试室，研究人员正小心翼翼地从透明塑料壳中取出一块黑乎乎的质料，它的质地看起来像一块烤焦的蛋糕，但每立方厘米的质量只有几毫克。当人走过，切“蛋糕”时发生的小碎屑会在氛围中漂浮一会儿，再渐渐降落。

这黑乎乎的“蛋糕”其实是尝试室成员、华南理工大轻工科学与工程学院传授彭新文团队新制备出的碳气凝胶。将其应用在锌空电池中，每立方厘米20毫安的大电流密度下，电池比容量可达648毫安时/每克。

本月，相关成就颁发于《先进质料》，彭新文汇报《中国科学报》，这种碳气凝胶的骨架源自纸张中的纤维。在微观层面，研究者对用于造纸的木质纤维举办布局设计和调变，为这种陈腐的生物质找到了一片新天地。

缘起生物质 碳气凝胶跨界电池应用

彭新文课题组的研究偏向是高机能生物质质料与纸基质料。纸基质料即木柴、秸秆等生物质，它们的主要身分是纤维素和木质素，将纤维直径节制在纳米层级，就可以获得柔性、长径比、机器机能俱佳的纳米纤维素，与石墨烯、一维碳纳米管等一道，被研究者用作基本构件质料。

在本月颁发的研究中，彭新文课题组开拓出的碳气凝胶就是以纳米纤维素为骨架。论文第一作者、课题组已结业硕士生吴坤泽汇报《中国科学报》，因其柔软多孔的特性，碳气凝胶又被称为碳泡沫。当碳泡沫与石墨烯质料相复合，就表示出优越的基本力学机能。“机器强度很高，又有很好的水分手性。”

实际上，课题组专注碳气凝胶研究已有数年。起初，彭新文等人用这种质料制备出柔性压力传感器，搭载于可穿着设备的电子器件上，可敏捷监测电化学信号。在制备进程中，研究团队发明，掺杂氮和金属等物质后，碳气凝胶就有了催化活性，可作为氧还原和氧析出双成果催化剂。

“这实际上是燃料电池的事情道理”，彭新文说，团结先前在燃料电池规模的研究配景，她与课题组其他成员开始思考，如何设计将碳气凝胶用作氛围电池的阴性电极。

“具有孔道布局的碳气凝胶，自己就有精采的导电性和机器不变性，对其举办调控，给它一些催化活性，就能让这种质料既充当催化剂，同时又发挥出导电载体的浸染。”吴坤泽暗示。

自2013年以来，该规模内的很多研究团队都在着手碳气凝胶的研发，这种热不变性和导电性俱佳的质料孔隙率可达80%-99%。具有海浪片层布局、仿生布局的碳气凝胶在此期间相继问世，其制备要领和机能也在不绝改进。

但此之前，并未有将纤维素碳气凝胶用于氛围电极的研究陈诉。若想实现这一方针，意味着碳气凝胶既要维持高孔隙率、强机器机能，还要发挥不变、高效的电催化机能。

一石三鸟 冷冻浇铸让质料“听话”

已往，制备碳气凝胶的要领包罗水热法、化学气相沉积法、模板法等，但它们往往无法在可控性和低本钱之间取得均衡。为此，碳气凝胶的研究者盯上了陶瓷制造规模的老要领——冷冻浇铸法。