开发一种经济、纳米、可控、通用的生物质基碳材料制备方法是生物质基碳材料在能源领域应用的主要瓶颈。

近日，美国阿贡国家实验室陆俊教授，北京理工大学姚莹副研究员报道了一种由疏松碳纳米球团簇组成的生物质碳纳米材料，其由准球形纳米碳颗粒构成，具有开放的分层结构，非刚性的狭缝状孔隙。这种孔结构可以容纳更多的放电产物，有利于液相和气态反应物的扩散，并具有良好的催化活性、导电性和稳定性。因此可以作为高性能Li-O₂电池的理想正极材料。

文章要点

1）研究人员以植物的三种基本有机成分（木质素、半纤维素和纤维素）和一种生物质废弃物（柚皮）为原料，制备了一系列具有不同粒径的准球形纳米碳材料，证明了该合成方法的普适性和规模化制备的潜力。

2）研究人员详细分析了碳材料制备过程的机理，发现原料组成对合成的碳纳米球的直径具有有显著影响。在水解和碳化制备过程中，生物质大分子首先被完全水解成可溶于酸性溶液的小分子，然后在液相碳化环境中进行碳化并各向同性地生长成均匀的纳米碳球。

3）当将这些多孔纳米碳球堆积而成的疏松团簇应用于氧阴极时，其独特的开孔结构表现出快速的传质性能，可以容纳大量的放电产物。同时，XPS分析表明，碳材料中的大部分杂原子可以被剥离，从而降低了含氧基团的浓度，降低了缺陷结构，保证了制备的碳材料具有较好的导电性和良好的电化学稳定性。

4）实验结果显示，该系列碳材料具有较高的放电比容量，在0.02 mA cm^-2的电流密度下的放电比容量均超过11985 mA h g^-1。此外，柚皮衍生的碳材料不仅具有20300 mA h g^-1的超高比容量，并且还具有极长的循环寿命，在500 mA h g^-1的受控放电-充电深度下，电流密度为0.2 mA cm^-2时，在543个循环中保持100％的循环容量。

低成本且可广泛获得的可再生前驱体，可大规模应用的简单制备方法，可控制的碳纳米球尺寸及其出色的性能，使得这种类型的碳材料有望成为一种理想的Li-O₂正极材料。

参考文献

Tuo Zhao, Ying Yao, Yifei Yuan, Meiling Wang, Feng Wu, Khalil Amine and Jun Lu, A universal method to fabricating porous carbon for  Li-O₂  battery, Nano  Energy, (2020)

DOI：10.1016/j.nanoen.2021.105782

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.105782