Ισχυρό εργαλείο αφαλόνωσης:Μια απλή διαδρομή για τη μεταμόσχευση υλικών άνθρακα με καλά καθορισμένους ανοιχτούς πόρους
Τα πορώδη υλικά άνθρακα (PCM) έχουν μεγάλη επιστημονική και τεχνολογική σημασία λόγω της ικανότητάς τους να επιτρέπουν στα αέρια και τα υγρά να διεισδύουν σε ολόκληρο τον όγκο τους.(1 ) Θεωρούνται από καιρό ως βασικά στοιχεία για τη δημιουργία τεχνολογιών βιώσιμης και καθαρής ενέργειας, όπως κυψέλες καυσίμου, επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, υπερπυκνωτές κ.λπ.(2 ) Ειδικά, τα PCM με ανοιχτούς πόρους (συμπεριλαμβανομένων μεσοπόρους, μακροπόρους και μεγαλύτερου μεγέθους πόρους) είναι πιο ελκυστικά στα προαναφερθέντα πεδία επειδή οι ανοιχτοί πόροι είναι σε θέση να παρέχουν γρήγορη επικοινωνία μεταξύ χύδην μέσου και εσωτερικών διεπαφών PCM.(3 )
Παρά τους άφθονους πόρους και το χαμηλό κόστος τους, οι συνθετικές στρατηγικές για PCM βασίζονται κυρίως στη συμπύκνωση οργανικών ουσιών που λειτουργούν με τμήματα H-, O-, N- ή S, ακολουθούμενα από βήματα ενεργοποίησης.( 4 ) Ωστόσο, η ενέργεια για την ενεργοποίηση αυτών των δεσμών είναι συνήθως πολύ υψηλή, αφήνοντας ορισμένα δύσκολα ζητήματα όπως η υψηλή ζήτηση ενέργειας, η εκπεμπόμενη μεγάλη ποσότητα επικίνδυνων υποπροϊόντων αερίου και ο σκληρός έλεγχος της δομής και του πορώδους.(4 ) Κυρίως, για να εισαχθούν ελεγχόμενοι μεσο-/μακροπόροι, απαιτούνται στερεά ή υγρά πρότυπα με στενές κατανομές μεγέθους.
Για να επιτύχουμε αυτούς τους στόχους, έχουμε αναπτύξει μια νέα στρατηγική που επιτρέπει τη γρήγορη κατασκευή υλικών άνθρακα υπό ήπιες συνθήκες. Για παράδειγμα, ανθρακούχα υλικά μπορούν να ληφθούν σε 60 δευτερόλεπτα μέσω αποαλογόνωσης του διχλωριούχου πολυβινυλίου (PVDC) με ΚΟΗ σε θερμοκρασία δωματίου, δεν σχηματίστηκε επικίνδυνο υποπροϊόν.(5 ) Εν τω μεταξύ, οι ακόλουθες μελέτες αποκάλυψαν ότι η στρατηγική αποαλογόνωσης είναι εφαρμόσιμη για τη συντονίσιμη σύνθεση υλικών άνθρακα με πολύ διαφορετικούς τύπους προσμίξεων (N, S, P, O ή συνδυασμούς τους) (6-8 ), μορφολογίες (φύλλο, ψίχα, αφρός, κ.λπ.) (5, 9, 10 ), και το πιο σημαντικό, ευρέως συντονισμένο πορώδες (11, 12 ).
Σε αυτή την εργασία, υλικά ιεραρχικά πορώδη άνθρακα (HPC) με καλά καθορισμένους μεσο-/μακροπόρους λαμβάνονται μέσω της αντίδρασης αφαλογόνωσης του διφθοριούχου πολυβινυλίου (PVDF) από το NaNH2 . Ο μηχανισμός σχηματισμού άνθρακα περιγράφεται από την Εξ. (1), κατά συνέπεια, δύο σημαντικά υποπροϊόντα του NaF και του NH3 σχηματίζονται, τα οποία ισχύουν για in situ διαμόρφωση και δημιουργία φυσαλίδων ενδιάμεσης δομής άνθρακα για μεσο-/μακρο-πόρους. Εν τω μεταξύ, το NaNH έφυγε σκόπιμα2 μπορεί να ενεργοποιήσει περαιτέρω τον άνθρακα για άφθονο μικροπορώδες (Εξ. (2)). Μελέτες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας και μετρήσεις Brunauer–Emmett–Teller (BET) επιβεβαίωσαν ότι οι δομές των δειγμάτων HPC περιέχουν πόρους πολλαπλής κλίμακας συναρμολογημένους σε ιεραρχικό μοτίβο και οι περισσότεροι όγκοι τους συνεισφέρονται από μεσοπόρους, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.
Καταφέραμε να συνθέσουμε δύο τύπους υλικών HPC, η σύνθεση του HPC-7 ακολούθησε το πρωτόκολλο που αναφέρθηκε παραπάνω, το άλλο:το HPC-M7 με πολύ μεγαλύτερους μακροπόρους ελήφθη με την προσθήκη διασπώμενου και ατμοποιήσιμου συστατικού (μελαμίνη) πριν από την έναρξη της αντίδρασης αποαλογόνωσης. Αυτό το συγκεκριμένο εύρημα που σχετίζεται με το δευτερεύον ατμοποιητικό συστατικό μπορεί να επιτρέψει τον ισχυρό συντονισμό των τύπων πόρων και τις αναλογίες πορωδών υλικών άνθρακα.
Η βελτίωση της ειδικής ενέργειας των υπερπυκνωτών (SCs) σε υψηλή ισχύ έχει διερευνηθεί εντατικά ως ένα καυτό και αμφισβητήσιμο θέμα. Ως επίδειξη, το HPC-M7 με άφθονους καλά καθορισμένους ανοιχτούς πόρους καθώς και μικροπόρους κατασκευάστηκε σε υδατικούς συμμετρικούς υπερπυκνωτές (ASSCs). Οι ηλεκτροχημικές μετρήσεις αποκάλυψαν ότι το HPC-M7 πέτυχε μια εξαιρετικά υψηλή ειδική ενέργεια 19 Wh kg με ειδική ισχύ ~1 kW kg. Αξιοσημείωτο είναι ότι στην εξαιρετικά υψηλή ισχύ των 14 kW kg-1, τα HPC-M7-ASSC εξακολουθούν να παρέδιδαν πολύ υψηλή ειδική ενέργεια 17 Wh kg, που σημαίνει ότι τα HPC-M7-ASSC μπορούν να φορτιστούν ή να αποφορτιστούν μέσα σε 4 δευτερόλεπτα.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Fabricating Hierarchically Porous Carbon with Well-Defined Open Pores via Polymer Dehalogenation for High-Performance Supercapacitor που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Applied Surface Science . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Mei Guo, Yu Li, Kewen Du, Chaochao Qiu, Gang Dou και Guoxin Zhang από το Shandong University of Science and Technology.
