主页,张正平副教授研究团队和黄雅钦教授研究团队在国际权威期刊《Advanced Functional Materials》期刊上发表学术论文

发文时间:2019-09-12

近日,材料学院主页,张正平副教授研究团队和黄雅钦教授研究团队在国际权威期刊《Advanced Functional Materials》(IF=15.621)上合作发表了题为“Porous Carbons Derived from Collagen-Enriched Biomass: Tailored Design, Synthesis, and Application in Electrochemical Energy Storage and Conversion”的综述性论文,总结了近年来胶原基多孔炭(CPCs)的设计、制备及其在电化学能量存储及转化领域的研究进展。

       近些年来,生物质基多孔炭由于低成本可持续的特点获得了越来越多的关注。独特的形貌结构和丰富的元素掺杂增强了生物质基多孔炭电极与电解液界面的物理作用和化学反应,使得生物质基多孔炭电极在电化学能量存储与转换器件中表现出优异的性能。虽然目前已有大量的研究工作报道总结了生物质基多孔炭的制备及电化学能量存储和转换应用,但是在这些研究性或综述性论文中,BPCs的前躯体主要是指植物及其衍生物(如纤维素、木质素、葡萄糖和蔗糖等)。在植物基生物质炭化过程中,除了O原子之外的非碳原子会大量流失。为了将所需的杂原子(如N、P、S等)引入植物基多孔炭中,则必须使用特定的掺杂剂和掺杂方法,进而增加了生物质多孔炭的合成成本。

       全球每年产生约1亿吨的动物骨、动物皮和鱼鳞,这些肉类加工业的副产品通常被作为废物丢弃。虽然这些富含蛋白质的生物质材料不能被人类有效摄取,但它们是杂原子掺杂炭材料的的优质前躯体。作为动物骨、动物皮和鱼鳞主要的有机组成部分,胶原蛋白是一种具有三螺旋结构的蛋白质,其多肽链由甘氨酸、脯氨酸、丙氨酸和蛋氨酸等富含大量C、N、O、S原子的氨基酸组成。通过可控的热解,胶原蛋白可以转化为具有多原子掺杂的多孔炭。除了有机物外,动物骨和鱼鳞还含有大量的无机物——羟基磷灰石,其可作为天然纳米模板以实现多孔炭的孔结构和形貌调控。以这些富含胶原蛋白的生物质为前躯体制备的胶原基多孔炭(CPCs)具有丰富的杂原子掺杂、发达的孔隙率和独特的形貌结构,使得CPCs在电化学能量储存和转化领域展现出良好的应用潜力。该综述从富含胶原生物质的结构组成出发,系统地总结了CPCs的结构设计与合成方法,介绍了不同CPCs在电化学能源存储以及转换领域中的具体应用。最后,从可控合成和规模化生产的角度展望了CPCs的应用前景,并提出了CPCs实用化所面临的问题挑战和解决办法。

      本文第一作者为我院博士毕业生牛津,主页、黄雅钦教授、张正平副教授为本文的通讯作者。本研究工作得到了国家自然科学基金重点项目的资助。

      文章信息:Jin Niu, Rong Shao, Mengyue Liu, Yongxi Zan, Meiling Dou, Jingjun Liu, Zhengping Zhang*, Yaqin Huang*, Feng Wang*, Porous Carbons Derived from Collagen-Enriched Biomass: Tailored Design, Synthesis, and Application in Electrochemical Energy Storage and Conversion, Adv. Funct. Mater. DOI: 10.1002/adfm.201905095.

      全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201905095