【前沿快递】利用纤维素乙醇生产的废弃木质素制备超高性能超级电容器电极材料取得重要研究进展

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目前，随着全球环境污染、资源短缺等问题日益加剧，生物质精炼技术的发展越来越受到广泛重视。作为少数已投产的生物质精练技术之一，纤维素乙醇的生产规模逐步扩大，如何清洁高效利用生产过程中产生的废弃物成为当前亟需解决的关键问题。纤维素乙醇生产中的废弃物主要含有木质素，可以进一步转化为化学品或材料。但是，由于底物与纤维素酶和酵母菌等的接触使得废弃物残渣中含有大量蛋白质，与残渣中的主要组分木质素难以高效分离，导致木质素很难直接在材料领域应用。

  近期，北京林业大学许凤教授团队，首次以乙醇生产过程中的废弃木质素残渣为原料采用水热处理与化学活化相结合的新技术，成功制备了一种氮掺杂多孔碳纳米片骨架结构碳材料（HPNC），该碳材料具有两个突出的优点：①氮掺杂量高，氮掺杂浓度达3.4%，显著提高了电极的导电性及与电解液界面的接触性；②具有高比表面的纳米片形貌，形成多级碗状孔结构，比表面积高达2218 m² g⁻¹，显著增加了有效电荷储存量。采用该碳材料可制备超高性能超级电容器电极材料。

图1 HPNC的制备原理示意图

     研究发现以HPNC为电极的超级电容器具有高倍率、高循环稳定性、高导电性等优点。在液相电解液中，以HPNC为电极的超级电容器的比电容为312 F g⁻¹，在80 A g⁻¹时倍率性能为81%，并且在10 A g⁻¹下循环20 000次后，仍然有98%的电容保持率。在液相体系中，功率密度为1.3/21.3 kW kg⁻¹时，能量密度分别为10.3/8.8 Wh kg⁻¹。而在离子液体电解液中，能量密度被提高到59.8 Wh kg⁻¹，其相应的功率密度为875 W kg⁻¹。在超高的功率密度73.1 kWkg⁻¹时，能量密度仍保持为44.7 Wh kg⁻¹（占其最高值的74%）。

图2   不同电解液中的HPNC基超级电容器的能量功率图；基于电极材料的（a）与基于整个器件的（b）Ragone图

该研究提供了一种高附加值利用纤维素乙醇的木质素副产物的途径，大力促进了纤维素乙醇生产的经济性。研究成果发表在《》杂志上（ACS Appl. Mater.Inter. 2016, 8 (22):13918–13925，IF=7.145），通讯作者是许凤教授，第一作者是博士生张利鸣。该团队前期关于生物质精炼过程的废弃物利用工作已发表在Biotechnol. Biofuels,2014, 7(1):1-7与Bioresource Technol.,2014, 164C(7):292-298上。

附：文章链接

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.6b02774

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