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中科院金屬所研制成功一新型多孔炭材料
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http://shiquanmuye.com 發(fā)稿日期:2008-4-10
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中科院金屬所沈陽材料科學國家(聯(lián)合)實驗室先進炭材料研究部成會明、李峰副研究員和博士生王大偉等與澳大利亞昆士蘭大學逯高清教授合作，在國家自然科學基金委的支持下，設計并制備出一種局域石墨化三維層次多孔結構的新型多孔炭材料(Hierarchical Porous Graphitic Carbon, HPGC)。該材料在高倍率條件下同時具有很高的能量密度和功率密度，可用作超級電容器的電極材料，相關論文在Angewandte Chemie International Edition(47，373-376，2008)上發(fā)表。
該研究組研究了在多孔炭電極中發(fā)生的基本電化學過程(J. Phys. Chem. B 2006, 110, 8570-8575)，發(fā)現(xiàn)多孔電極的電荷存儲能力由多孔結構的離子傳輸性能(受孔的尺寸、形狀及取向等因素影響)、多孔炭的電子導電性以及電解液性質和電解液與炭材料之間的物理化學相互作用等因素所決定。據(jù)此他們提出將不同尺度孔(大孔-中孔-微孔)以三維網(wǎng)絡形式組裝，同時盡可能獲得局域石墨片層結構的電極材料設計思想。其設計原理是：局域石墨化三維層次多孔結構(HPGC結構)可充分利用大孔結構作為準體相的電解液儲存池以縮短離子擴散距離，中孔結構提供快速的離子輸運通道，大孔-中孔協(xié)同作用可實現(xiàn)電解液離子在多孔炭電極中的準體相快速擴散行為；微孔的高靜電吸附容量賦予優(yōu)異的電化學儲能活性；局域石墨片層則能夠提高材料本體的電子導電性(參見圖1)。HPGC結構可有效增加離子可利用的電化學活性表面積和電化學活性，并顯著降低大電流導致的電位極化，從而獲得在高倍率條件下高能量/高功率密度的電化學能量存儲與轉換能力。
HPGC結構的諸多特點，使其制備十分困難。為此科研人員提出了采用液相無機模板方法，制備出具有上述大孔-中孔-微孔三維層次孔結構和局域石墨片層結構的HPGC材料。實驗結果證明，HPGC材料比活性炭和有序介孔炭材料具有更加優(yōu)異的高倍率電化學能量存儲與轉換能力。優(yōu)異的高倍率儲能性能在水系和有機系電解液中均能實現(xiàn)，該性能超過美國提出的PNGV((the Partnership for a New Generation of Vehicle)功率指標(參見圖2)。如果進一步提高電解液的工作電壓，在保持優(yōu)于PNGV功率密度指標的同時，還可望實現(xiàn)更高的能量密度。這些結果表明局域石墨化三維層次多孔結構炭材料有望成為電動汽車超級電容器用優(yōu)良的電極材料。
此外，上述液相無機模板方法還是一種普適的多孔材料合成方法。通過調節(jié)模板材料的物理化學性質，能夠獲得具有不同結構和理化性質如帶磁性的層次孔炭材料及炭基復合材料，這些材料在磁性分離、催化等清潔能源與環(huán)境保護領域有著廣闊的應用前景。
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