浙江大学涂江平团队：一步膨化碳化法制备用于高效能量储存的多用碳复合物
自古以来，碳材料就对人类文明进程有着深远影响。随着碳材料（如木炭、煤、石墨）的技术进步，社会能源体系发生了飞跃并促进了生活方式的变革。目前，科研工作者们仍迫切寻求先进碳基材料以获得更高的利用效率、更好地利用绿色能源。目前，制备碳材料（如石墨烯、碳纳米管、C60、碳量子点、碳微米纤维/纳米纤维）的常用方法有：化学气相沉积法、化学或电化学剥落法、静电纺丝法等，但是通过一步合成法来大规模制备形貌可控、尺寸和组分可调的多用先进碳基复合物仍是巨大挑战。
传统制备碳及其复合物的方法（如直接退火法、化学气相沉积法、溅射法、水热/溶剂热法）大多是多步法，很难同时精准控制形貌、尺寸和组成。同时，由于设备限制，这些方法往往是高成本和低收率的，从而限制大规模商业化应用。生物质衍生碳具有低成本、易再生和大规模生产的优点。然而，由于生物质的复杂性，它们的形貌、尺寸及分布很难控制。此外，源于生物质的碳基复合物很难实现一步合成。比如，过去经常用大米来制备独特多孔结构的碳，并与金属纳米颗粒相容来制备碳/金属复合物。但是制备多孔碳及复合物需在2-5MPa的高压下才能实现，限制了其应用前景。
鉴于此，开发有效一步法来构建具有特定性质的多用多尺度碳基复合物（如：碳/金属氧化物、碳/金属氮化物、碳/金属碳化物、碳/金属硫化物、碳/金属、金属/半导体、碳/碳）是十分必要的。浙江大学涂江平团队开发了简洁高效的一步膨化碳化法用于多用碳基复合物的大规模制备，相关研究成果已经发表在Adv. Mater. 上，题目为“A Powerful One-Step Puffing Carbonization Method for Construction of Versatile Carbon Composites with High-Efficiency Energy Storage”。
浙江大学涂江平团队开发了简洁高效的一步膨化碳化法，用于多用碳基复合物（如：碳/金属氧化物、碳/金属氮化物、碳/金属碳化物、碳/金属硫化物、碳/金属、金属/半导体、碳/碳）的大规模制备，所得碳基复合物具有以下优势：孔隙率高、层状多孔结构、电导率高、成分和比例可调。由麦芽糖碳化得到的交联多孔碳（CPC）几乎可以和所有的反应物或预成型前驱体复合，并转化为多用多尺度碳基复合物。新型CPC结构扩展了碳基复合物在能量储存转化和环保等领域的应用，如支撑体、催化剂、吸附剂、基质、活性物等。涂江平团队以SCPC/Li₂S为代表，进一步证明了CPC基复合物在锂-硫电池以及其他领域的应用方面具有巨大价值。由于SCPC/Li₂S复合物的结构稳定性增强、电导率高及对锂-硫聚合物的溶解有着良好抑制作用，当其作为试验锂-硫电池（LSBs）的正极进行测试时，表现出更小的极化作用、更高的倍率容量（2C，621mAh g-1）、更优的循环特性（2C，300次循环后，443mAh g-1）。该研究工作提供了新型高效的一步膨化碳化技术，可低成本大规模地制备成分可调的多功能碳基复合物以用于能量储存和转化。
图1. （a）CPC制备示意图. （b）麦芽糖的碳化过程.（c）CPC合成示意图.（d）-（i）CPC SEM图
图2.（a）不同CPC基复合物的制备流程示意图.（b）-（c）麦芽糖及其衍生物的光学图片麦芽糖/TiO₂ 、麦芽糖/TiN, 麦芽糖/carbon, 麦芽糖/Si, 麦芽糖/NiO, 麦芽糖/NbCl5, 麦芽糖/CoCl₂, 麦芽糖/NiCl₂. d) CPC及其复合物的光学图片:CPC/TiO₂, CPC/TiN, CPC/carbon, CPC/Si, CPC/NiO, CPC/NbC, CPC/CoO, CPC/Ni.
图3.CPC基复合物的表征.（a）-（c）CPC/Si复合物的SEM图、TEM-HRTEM图和XRD图.（d）-（f）CPC/TiO₂复合物的SEM图、TEM-HRTEM图和XRD图. （g）-（i）CPC/TiN复合物的SEM图、TEM-HRTEM图和XRD图. （j）-（l）CPC/TNO复合物的SEM图、TEM-HRTEM图和XRD图. （m）-（o）CPC/Ni复合物的SEM图、TEM-HRTEM图和XRD图. （p）-（r）CPC/Ni复合物的SEM图、TEM-HRTEM图和XRD图.
图4. SCPC/Li₂S复合物的表征.（a）3D模型.（b）-（d）SEM图. （e）-（g）TEM-HRTEM图.（h）SCPC/Li₂S复合物的EDS mapping图.
图5.CPC/Li₂S和SCPC/Li₂S的表征、电化学性质和DFT计算.（a）XRD图.（b）首次循环电荷电压图.（c）0.2C下的充电/放电曲线. （d）0.05C下三次循环后的倍率性能.（e）循环性能.（f）固态密度（DOS）图.（g）Li₂S在CPC表面的优化吸附构型，SCPC的化学键长、电荷分布、以及电子密度差分析.（h）Li₂S和Li₂S6在CPC和SCPC表面的吸附能。（i）Li₂S簇在CPC和SCPC表面分解的能量轮廓图
原文链接
Shen, S. H., Huang, L., Tong, X. L., Zhou, R. F., Zhong, Y., Xiong, Q. Q., Zhang, L. J., Wang, X. L., Xia, X. H., Tu, J. P., A Powerful One-Step Puffing Carbonization Method for Construction of Versatile Carbon Composites with High-Efficiency Energy Storage. Adv. Mater. 2021, 2102796. https://doi.org/10.1002/adma.202102796
通讯作者：涂江平
现任浙江大学金属材料研究所所长，浙江省电池新材料与应用技术研究重点实验室主任，国际电化学学会会刊Electrochimica Acta编委（Editor）。2002年获教育部优秀青年教师资助计划、2004年入选浙江省“新世纪151人才工程”第一层次，2006年入选重点资助人员。主要从事电池材料与二次电池技术、材料表面科学与工程等方面的研究。兼任第七-九届中国机械工程学会摩擦学分会理事、热处理分会理事，浙江省机械工程学会热处理分会理事长，International Society of Electrochemistry会员。负责完成或在研7项国家自然科学基金目、1项863计划纳米材料专项和1项国防先进材料专项、2项国家科技支撑计划、1项国家重大研发专项项目、6项国防科工委（局）军品配套、航天科技项目以及1项教育部国防支撑计划项目、2项高等学校博士点专项科研基金、浙江省自然科学基金和重点基金，浙江省、上海市科技计划重点项目和40余项企业委托科研项目，作为主要参加者完成了2项973项目。所研制的锂离子动力电池系统获得武器装备科研生产许可证，成功用于长征七号运载火箭系统。至2019年2月，已在国内外重要学术期刊上发表SCI收录论文523篇，其中ESI高被引论文近年来一直保持在25-45篇之间；SCI收录论文他引22600多次，h-index= 78（Web of Science核心合集）；2015-2018连续4年入选科睿唯安（汤森路透）全球高被引科学家，2014-2018年入选Elsevier高被引学者；获得发明专利授权119件。作为第一完成人获得高等学校科学技术奖（自然科学）和浙江省科学技术二等奖4项。
本文责编：王宁宁