王少奇，趙朋，沈伯雄，王欣然

(1.河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401；2.天津市清潔能源利用與污染物控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300401)

近年來，由于化石能源的儲(chǔ)量逐年下降并且其在使用過程中帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題，再加上人們對(duì)移動(dòng)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車等能源消費(fèi)產(chǎn)品的需求，發(fā)展能源轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好型的新型儲(chǔ)能設(shè)備成為人們研究的重點(diǎn)[1]。超級(jí)電容器由于其出色的性能(包括高功率密度、快速充放電過程、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和維護(hù)成本低)而獲得廣泛關(guān)注。盡管超級(jí)電容器具有使用壽命長(zhǎng)和工作溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但其與鋰離子電池相比，超級(jí)電容器仍具有較低的能量密度和較高的開發(fā)成本等缺點(diǎn)[2]。為了解決這些缺點(diǎn)，研究人員經(jīng)過各種嘗試發(fā)現(xiàn)——在諸多影響超級(jí)電容器性能的因素中，電極材料是決定其性能的關(guān)鍵因素。因此，開發(fā)出一種高性能且綠色環(huán)保的電極材料成為研究的重點(diǎn)[3]。

生物質(zhì)衍生碳具有綠色環(huán)保、前驅(qū)體來源廣泛、微觀結(jié)構(gòu)豐富、孔結(jié)構(gòu)可調(diào)、表面性質(zhì)易于改性、優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，因此在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力[4]。通常生物質(zhì)材料制備的多孔碳主要為納米片、固體粉末等，且雜原子含量較少(如N、P、S等)，不利于電解質(zhì)離子的快速傳輸及比電容的提高。因此，選擇具有合適組分及微觀結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)材料是獲得優(yōu)異電化學(xué)性能的重要方案之一。楊樹、柳樹、梧桐樹因有較強(qiáng)的光合作用有利于空氣凈化而廣泛種植于世界各地，但是其產(chǎn)生的飛絮會(huì)漂浮于空氣中不利于環(huán)境及人體健康，因此需要對(duì)其進(jìn)行合理的收集與利用[5]。楊絮、柳絮、梧桐絮作為植物種子含有豐富的Ca2+、K+、Mg2+等無機(jī)礦物質(zhì)離子及N、S、O等元素，并且具有可以繼承的天然微管結(jié)構(gòu)。本文系統(tǒng)介紹了飛絮衍生碳及其復(fù)合材料在電化學(xué)方面的研究進(jìn)展，并討論了飛絮衍生碳材料未來發(fā)展的前景和挑戰(zhàn)。

1 飛絮原料特性對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造的影響

1.1 組成成分

楊絮、柳絮、梧桐絮因富含Ca2+、K+、Mg2+等金屬離子而具有自活化能力。當(dāng)高溫碳化處理時(shí)，飛絮材料中的無機(jī)離子可與其進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成一定的孔結(jié)構(gòu)從而起到預(yù)活化作用[6]。與外源性摻雜活化劑相比，原料中的金屬離子存在于分子內(nèi)，均勻程度大于機(jī)械混合，混合效率高；并且避免了過渡活化的可能性。另外，無機(jī)離子分布是自然選擇的結(jié)果，因此其規(guī)律性更強(qiáng)，造出的孔更加規(guī)則[7]。譚華等[6]以梧桐絮和柳絮作為制備多孔碳材料的前驅(qū)體，利用其自活化能力，直接炭化后得到的碳材料表面形成了介孔和大孔，再經(jīng)過KOH活化后產(chǎn)生了豐富的微孔和介孔，從而制備了具有分級(jí)多孔微納結(jié)構(gòu)的碳材料。并且發(fā)現(xiàn)，相比于柳絮，梧桐絮因較高含量的無機(jī)鹽離子而具有更強(qiáng)的自活化能力。

另外，雜原子摻雜可以有效提高碳材料的導(dǎo)電性并改善其浸潤(rùn)性，促進(jìn)電解液離子與電極材料的快速接觸以及在其內(nèi)部的擴(kuò)散。當(dāng)碳前驅(qū)體自身含有摻雜元素時(shí)，表面官能團(tuán)可以非常均勻的原位摻雜在碳骨架上。與異位摻雜相比，原位摻雜顯示出更加優(yōu)異的電化學(xué)性能，并且操作簡(jiǎn)便，容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[8]，并且，多原子共摻雜的多孔碳往往比單原子摻雜具有更好的儲(chǔ)能性能[9]。樹木飛絮因天然富含N、O、S等雜原子，非常適合用于制備原位雜原子共摻雜的碳材料。Xie等[10]通過高溫碳化和KOH活化制備的柳絮衍生碳微管具有較大的比表面積(1 775.7 m2/g)、高電導(dǎo)率(35.84 S/m)、均勻的氮摻雜(1.56%)和分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，合成過程簡(jiǎn)單易行，無需其他模板和后摻雜工藝。以此組裝的對(duì)稱超級(jí)電容器，在1 A/g的電流密度下能夠提供 37.9 Wh/kg 的高能量密度。以梧桐絮為原料，采用同樣的方法也制備出了N、O共摻雜碳微管，得益于其分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)和較高含量的N(1.83%～2.20%)、O(10.12%～15.86%)原子摻雜，均可作為高性能超級(jí)電容器電極材料[11-12]。Wang等[13]探究了活化溫度對(duì)柳絮衍生碳自摻雜效果的影響。當(dāng)活化溫度從600 ℃增加到800 ℃時(shí)，多孔碳產(chǎn)物的比表面積顯著增加，但共摻雜的氮和氧的含量降低。前期研究發(fā)現(xiàn)基于ACs的超級(jí)電容器的電化學(xué)性能更多地取決于雜原子含量，而不是ACs的比表面積。盡管在600 ℃下獲得的樣品具有中度比表面積(645 m2/g)，但N(2.51%)和O(13.28%)含量最高，再加上高石墨化程度以及良好的電導(dǎo)率，使其具有出色的電化學(xué)性能。

1.2 天然結(jié)構(gòu)遺態(tài)

一般地，合適的微納結(jié)構(gòu)使碳材料具有更加優(yōu)異的電化學(xué)性能。在充放電過程中，離子擴(kuò)散速率和電子轉(zhuǎn)移速率直接影響超級(jí)電容器的性能，碳納米管(CNT)因其管狀結(jié)構(gòu)和高電導(dǎo)率具有快速的離子傳輸特性，并且被認(rèn)為是克服雜原子摻雜負(fù)面影響的理想材料[14]。另外，石墨烯因其完美的二維結(jié)構(gòu)、較大的理論比表面積和較好的導(dǎo)電性，能夠提供更短的電子傳輸路徑和更多的表面儲(chǔ)存位點(diǎn)[15]。但是，復(fù)雜、昂貴、對(duì)環(huán)境有害的制備過程限制了其大規(guī)模的生產(chǎn)及應(yīng)用。

有些生物質(zhì)因天然的管狀或片狀結(jié)構(gòu)可直接作為犧牲模板和碳前驅(qū)體，經(jīng)過簡(jiǎn)單、綠色的處理方法可以較大程度上保留天然結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遺態(tài)。楊絮、柳絮、梧桐絮的天然微管和薄壁結(jié)構(gòu)不僅可以直接進(jìn)行模板化，并且在碳化后易破碎形成碳微片，因此可以在不同的工藝參數(shù)下制備具有類碳納米管管狀結(jié)構(gòu)或類石墨烯片層結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)基碳材料，從而受到研究者的青睞。

1.2.1 一維碳微管 Wang等[16]在相同的工藝參數(shù)下對(duì)柳絮、瀝青和酚醛樹脂進(jìn)行預(yù)碳化和KOH活化制備了三種中空活性炭纖維。研究發(fā)現(xiàn)，柳絮基碳纖維具有合適的孔結(jié)構(gòu)、最高的中空度和氮含量，能夠提供最高的比電容(333 F/g，0.1 A/g)。同時(shí)考慮到成本效益和環(huán)保特性，柳絮基碳纖維在超級(jí)電容器領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。

在傳統(tǒng)工藝?yán)?，KOH、ZnCl2等是制備碳材料時(shí)常用的活化劑，也會(huì)用超聲輻射輔助化學(xué)浸漬以進(jìn)一步提高比表面積[17]。但此類方法會(huì)破壞碳結(jié)構(gòu)并降低石墨化程度。為了平衡比表面積和石墨化程度之間的沖突，并且避免此類強(qiáng)腐蝕性活化劑的使用，Zhang等[18]以K4Fe(CN)6作為活化劑和石墨化催化劑同時(shí)改善了柳絮衍生碳導(dǎo)電性差和比表面積低的問題，制備得到多孔石墨碳微管(PGCMT)。為了評(píng)估其他金屬催化劑對(duì)所得碳材料結(jié)構(gòu)的影響，還以NiCl2和FeCl2替代K4Fe(CN)6進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到產(chǎn)物GCMT-Ni和 GCMT-Fe石墨碳微管。結(jié)果表明，PGCMT具有最大的比表面積(1 066.56 m2/g)，其石墨化程度與GCMT-Fe相近但高于GCMT-Ni，說明鐵比鎳更有助于石墨碳的形成。因此，又進(jìn)一步研究了Fe(NO3)3、Fe2(SO4)3和FeCl3不同鐵鹽對(duì)所得碳材料結(jié)構(gòu)的影響。最終，由柳絮、KCl和 Fe(NO3)3制備的多孔石墨碳微管石墨化程度最高且具有高孔隙率。KCl的引入對(duì)于開發(fā)多孔結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，用其代替腐蝕性的KOH或有毒的ZnCl2，大大降低了生產(chǎn)成本[19]。由于碳酸鹽無污染并可通過重結(jié)晶輕松回收，因此一種簡(jiǎn)便而綠色的二元碳酸鹽共熱解策略也被用于制備梧桐絮衍生碳，制成的HPC-Na2CO3/K2CO3微孔/中孔比更平衡，不僅繼承了天然的管狀結(jié)構(gòu)，而且具有豐富的O和N雜原子原位摻雜。制造的對(duì)稱電容器在0.2 A/g時(shí)可提供240.3 F/g的比電容，在0.2 kW/kg的功率密度下顯示出33.4 Wh/kg的高能量密度[20]。

1.2.2 二維碳微片 飛絮經(jīng)過碳化后其管狀結(jié)構(gòu)較為脆弱，可以將碳微管粉碎并轉(zhuǎn)化為二維碳微片。使用適量的強(qiáng)堿類活化劑(如KOH、ZnCl2)可以破壞其微管結(jié)構(gòu)，Li等[21]通過調(diào)節(jié)柳絮與KOH的質(zhì)量比(分別為1∶0.5，1∶1，1∶2)來探究活化劑量對(duì)碳結(jié)構(gòu)的影響，將相應(yīng)制備的碳材料記為PCNs1-0.5、PCNs1-1和PCNs1-2。結(jié)果表明，由于缺乏足夠的KOH活化，PCNs1-0.5保留了中空管狀和薄壁結(jié)構(gòu)；隨著KOH加入量的增加，碳微管逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿S互連的碳納米片。同樣采用碳化及KOH活化法，林等以氨氣氮摻雜工藝制備的高氮含量的碳材料表現(xiàn)出了以片狀為基本組成單元而形成的獨(dú)特的交錯(cuò)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[22]。Ma等[23]從柳絮中制備出具有O和N雙重?fù)诫s的高孔隙度碳微片，在1 A/g的電流密度下分別顯示出317，372 F/g的比電容。除此之外，Nan等[24]將干燥的楊柳絮放在管式爐中高溫碳化，冷卻后在乙醇溶液中超聲處理2 h，通過超聲破碎法直接將碳化的楊絮空心纖維轉(zhuǎn)化成為多孔碳微片，該微片可以進(jìn)一步用作碳基底以原位固定各種納米顆粒并形成分層結(jié)構(gòu)。

2 飛絮衍生碳復(fù)合材料作為電極材料的研究

生物質(zhì)碳材料的能量?jī)?chǔ)存與釋放僅通過孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)電解液離子的吸附、解吸作用來實(shí)現(xiàn)，因此很難打破自身比電容的限制[25]。金屬化合物與導(dǎo)電聚合物在充放電過程中離子的重復(fù)嵌入和脫嵌會(huì)降低其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，電容保持率低；此外，團(tuán)聚引起的高接觸電阻等副作用會(huì)嚴(yán)重影響其電化學(xué)性能。金屬化合物較差的導(dǎo)電性使其在大電流充放電時(shí)電容性能較差[26-27]。

采用生物質(zhì)衍生碳與贗電容材料、雙電層電容材料復(fù)合的方法能有效提高復(fù)合材料的電化學(xué)性能。一方面，生物質(zhì)碳具有良好的導(dǎo)電性和有利于潤(rùn)濕性的多孔結(jié)構(gòu)，并提供穩(wěn)定的碳骨架，改善了復(fù)合材料的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性[28]；碳基底保證了負(fù)載物的均勻分散，避免團(tuán)聚現(xiàn)象[29]，同時(shí)改善石墨烯由于層間堆疊而導(dǎo)致離子可及表面積和離子傳輸速率顯著降低的問題[30]。另一方面，贗電容材料具有較高的能量密度和理論比電容，可以提高復(fù)合材料的儲(chǔ)能性能[31]。此外，導(dǎo)電聚合物對(duì)碳材料的包裹使電化學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)一步增強(qiáng)，導(dǎo)電性也有所提高[32]。雙電層電容材料如石墨烯、碳納米管可以提供更快速的離子傳輸速度。

總之，相比于單一的生物質(zhì)碳材料，以生物質(zhì)碳作為贗電容材料或雙電層電容材料生長(zhǎng)/嵌合模板的復(fù)合材料，體現(xiàn)出高效的協(xié)同效應(yīng)，使生物質(zhì)基碳材料展現(xiàn)出更加優(yōu)異的電化學(xué)儲(chǔ)能性能。

2.1 飛絮衍生碳/聚合物或金屬化合物復(fù)合材料

常用的贗電容材料包括金屬化合物(氧化物、硫化物、氫氧化物等)和導(dǎo)電聚合物(如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等)，通過表面或近表面快速、可逆的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生并儲(chǔ)存電能，具有較高的比容量和能量密度。

Li等[33]通過簡(jiǎn)便的原位化學(xué)聚合法將片狀聚苯胺材料均勻地覆蓋在石墨烯狀柳絮衍生碳上，由于兩種組分之間的協(xié)同效應(yīng)，引入了豐富的活性位點(diǎn)并增強(qiáng)了界面電子轉(zhuǎn)移。得到的PANI/CCNs復(fù)合電極的比電容可達(dá)444 F/g(0.1 A/g)，比純PANI和CCN的比電容高得多。王亞洲[34]采用相同的方法合成了聚吡咯/交聯(lián)碳納米片，經(jīng)復(fù)合后，提高了聚吡咯的充放電穩(wěn)定性，并且其團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少。復(fù)合電極具有優(yōu)秀的性能，比電容最高可達(dá) 313.75 F/g(0.1 A/g)，當(dāng)電流密度增大到5 A/g時(shí)容量保持率為75.34%。在1 A/g的電流密度下循環(huán)2 000次后，比電容為初始值的85.68%，庫倫效率為97.95%。

MnO2成本低、環(huán)境友好、儲(chǔ)量豐富，并且理論比電容可達(dá)1 370 F/g，因此是目前最具應(yīng)用前景的贗電容材料之一。通常采用電沉積法和水熱沉積法使MnO2生長(zhǎng)在柳絮衍生碳上。Li等[35]以柳絮為原料，通過一步熱解和KOH活化法合成了交聯(lián)碳納米片，然后在不銹鋼高壓釜中通過原位水熱沉積制備了MnO2/CCNs復(fù)合材料，以此組裝的不對(duì)稱超級(jí)電容器在 188.8 W/kg 的功率密度下顯示出 23.6 Wh/kg 的高能量密度。Zhang等分別以 K4Fe(CN)6[18]、KCl和Fe(NO3)3混合物[19]作為催化劑制備了同時(shí)具有高比面積和高導(dǎo)電性的多孔石墨碳微管(PGCMT)，然后通過MnO2電沉積獲得的PGCMT/MnO2復(fù)合電極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，在2 A/g的電流密度下比電容可達(dá)550.8 F/g、571.1 F/g，也表現(xiàn)出良好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。此外，β-Ni(OH)2也具有高理論比電容，并且在強(qiáng)堿性電解液中表現(xiàn)出更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可逆性。Liu等[25]通過簡(jiǎn)便的酸處理和隨后的水熱工藝，首次實(shí)現(xiàn)了β-Ni(OH)2納米片陣列在柳絮衍生的碳微管內(nèi)外表面上的可控生長(zhǎng)，有效利用了碳微管的中空管狀結(jié)構(gòu)。碳微管不僅被用作β-Ni(OH)2納米片分散的有效載體，而且為離子擴(kuò)散提供了快速通道?；讦?Ni(OH)2@ACMT復(fù)合材料的電極在1 A/g時(shí)顯示出1 568 F/g的高比電容，以此為正極，多孔碳微管為負(fù)極的不對(duì)稱超級(jí)電容器在 750 W/kg 時(shí)可實(shí)現(xiàn)37.8 Wh/kg的高能量密度。

研究表明，多元金屬化合物往往比單金屬化合物具有更高的電容性能，金屬之間的協(xié)同及互補(bǔ)作用更有利于提高復(fù)合材料的電化學(xué)性能[36]。Ramkumar等[37]合成了LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2@C復(fù)合材料用于水性鋰離子混合超級(jí)電容器的正極材料，其三元金屬組合具有明顯的優(yōu)勢(shì)：LiCoO2使復(fù)合材料具有高倍率性能，LiNiO2帶來的高容量，Mn4+促進(jìn)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在這種結(jié)構(gòu)中，電化學(xué)性能主要取決于鎳離子，因?yàn)殁掚x子僅在較高的電壓范圍內(nèi)有活性，而錳離子不參與氧化還原反應(yīng)，但有助于穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)。因此，研究者們進(jìn)一步將飛絮衍生碳與多元金屬化合物復(fù)合，制備儲(chǔ)能性能更佳的電極材料。

Nan等[24]通過水熱反應(yīng)在楊絮衍生碳微片上原位組裝NiCo2O4納米片，形成NiCo2O4殼-碳核復(fù)合材料。使用聚多巴胺作為耦合層，克服了由于碳基材料缺乏表面化學(xué)基團(tuán)而造成的NiCo2O4活性材料與其界面接觸較弱、電子傳輸距離長(zhǎng)的問題，進(jìn)一步增強(qiáng)了兩種組分的協(xié)同效應(yīng)。復(fù)合材料在1 A/g下的比容量為922.9 C/g，5 000次循環(huán)后容量保持率為91.4%。另外，通過使用基于硫化物的化合物而非基于氧化物的化合物，提高了過渡金屬化合物的電導(dǎo)率[38]。與Ni-Co氧化物相比，Ni-Co硫化物具有更好的電化學(xué)性能。Wang等[39]采用簡(jiǎn)單的水熱合成方法，以柳絮衍生CMT為碳支架，在不同溫度下預(yù)碳化，制備了一系列具有不同Ni-Co摩爾比的CMT/Ni-Co硫化物復(fù)合材料。隨著預(yù)炭化溫度的升高，所得CMT的電導(dǎo)率提高，CMT/Ni-Co硫化物復(fù)合材料的比電容和速率性能均得到明顯改善。隨著Ni-Co硫化物沉積量的增加，復(fù)合材料的比電容增大，但由于其整體電導(dǎo)率降低，速率性能降低。最終得到的性能最佳的CMT/Ni2CoS4材料比電容可達(dá) 1 210 F/g(0.5 A/g)，最大能量密度為 28.1 Wh/kg(753 W/kg)。

2.2 飛絮衍生碳/石墨烯或CNT復(fù)合材料

石墨烯和碳納米管是典型的雙電層電容材料，雙電層電容主要利用靜電引力將電子積累在電解液與電極界面上形成，其充放電速度及功率密度相對(duì)較高。

Qin等[40]以柳絮為碳前驅(qū)體，采用聚合、熱解和活化的綜合程序合成了高導(dǎo)電性的氮摻雜空心碳微管材料，并將N摻雜交聯(lián)石墨烯接枝到碳微管的內(nèi)壁和外壁上。所獲得的碳材料具有大的比表面積(2 608 m2/g)，高水平的雜原子摻雜(O：12.5%，N：3.4%)和出色的電導(dǎo)率(128 S/m)，解決了電導(dǎo)率和表面積之間相互克制的問題。這種柳絮衍生電極在不添加導(dǎo)電劑的情況下，在6 mol/L KOH電解質(zhì)中的電容值為 408 F/g(0.5 A/g)，在1 mol/L H2SO4電解質(zhì)中的電容值為420.8 F/g(1 A/g)，且具有優(yōu)異的倍率性和循環(huán)穩(wěn)定性。以此組裝的對(duì)稱超級(jí)電容器在1 mol/L Na2SO4電解質(zhì)中顯示出 27.3 Wh/kg 的高能量密度(182 W/kg)。黃等[41]通過簡(jiǎn)單的高溫碳化法制備了楊絮衍生的碳微米管，并采用化學(xué)氣相沉積法，以碳微米管為基底，無水乙醇為碳源制備出了三維結(jié)構(gòu)的CMT/CNT復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。充分利用了碳微米管管徑大，可填充客體分子這一優(yōu)勢(shì)，將CNT均勻生長(zhǎng)在CMT的內(nèi)、外壁上，提高了碳微米管的比表面積、結(jié)晶度及導(dǎo)電性能，使其電化學(xué)儲(chǔ)能性能明顯提高。

2.3 飛絮基三元復(fù)合材料

近年來，研究者們?cè)诙獜?fù)合材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行了三元復(fù)合材料的研究，以進(jìn)一步提高生物質(zhì)基碳材料的電化學(xué)儲(chǔ)能性能，發(fā)現(xiàn)多種材料同時(shí)復(fù)合確實(shí)可以得到儲(chǔ)能效果更好的碳基材料[42-43]。因此，也相繼報(bào)道了關(guān)于柳絮、梧桐絮的三元復(fù)合電極材料。

Xiong等[44]以梧桐絮為原料，結(jié)合浸漬、化學(xué)氣相沉積法，制備了一種環(huán)保可持續(xù)的3D碳微管@氮摻雜還原氧化石墨烯(CMT@N-RGO)材料。然后，將CMT@N-RGO材料作為碳質(zhì)支架，通過電沉積法以負(fù)載MnO2納米壁或PANI納米棒，制備的CMT@N-RGO/MnO2和CMT@N-RGO/PANI復(fù)合材料優(yōu)異的電化學(xué)性能得益于各組分之間的協(xié)同效應(yīng)：①引入的N原子、PANI和MnO2可以提供良好的電催化劑和較大的假電容性能；②交聯(lián)CMT可以有效地防止N-RGO的堆疊，充當(dāng)N-RGO層之間電子傳輸?shù)臉蛄海⑶邑暙I(xiàn)一部分的電容；③三者形成的夾層結(jié)構(gòu)有助于快速充電/放電和高倍率性能。Liu等[45]在柳絮衍生的摻氮碳微管的內(nèi)外表面能生長(zhǎng)非晶態(tài)MoS2納米片，隨后經(jīng)過簡(jiǎn)單的真空過濾與還原氧化石墨交聯(lián)形成NCMTs@A-MoS2/RGO復(fù)合紙。用作電極材料具有超長(zhǎng)的循環(huán)壽命、高可逆容量和出色的倍率性能。王亞洲[34]還通過化學(xué)氧化聚合反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)將柳絮衍生的交聯(lián)碳納米片與聚苯胺、MnO2復(fù)合，碳基底增強(qiáng)了復(fù)合材料的導(dǎo)電性和循環(huán)穩(wěn)定性，使其具有332.56 F/g的較高比電容(1 A/g)。電流密度為1 A/g時(shí)，2 000次循環(huán)后該電極的容量保持率為88.36%，庫倫效率在100%左右。

3 結(jié)束語

楊絮、柳絮、梧桐絮由于兼具自活化能力及原位摻雜并有特殊空心管狀結(jié)構(gòu)，作為碳材料前驅(qū)體在超級(jí)電容器領(lǐng)域具有非常大的發(fā)展空間，但飛絮基碳材料仍存在以下問題亟待解決。

(1)合適的孔結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)、比表面積及導(dǎo)電性是碳材料具有優(yōu)異電化學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵因素，而這些因素之間往往相互制約、難以平衡。比如雜原子摻雜能夠優(yōu)化碳材料的孔隙度和表面性質(zhì)，發(fā)達(dá)的孔結(jié)構(gòu)有利于生物碳的比表面積和倍率性能，但都可能導(dǎo)致導(dǎo)電性降低。

(2)為了追求更加優(yōu)異的電化學(xué)性能，生物質(zhì)碳可以用來負(fù)載贗電容材料和雙電層電容材料。但是由于飛絮衍生碳缺乏足夠的表面化學(xué)基團(tuán)，導(dǎo)致活性材料和碳基材之間的界面接觸較弱，并且電子傳輸距離很長(zhǎng)。

(3)目前，飛絮基碳材料在活化過程中使用的活化劑仍以KOH等強(qiáng)堿類試劑為主，不可避免地對(duì)設(shè)備和環(huán)境造成危害。

(4)生產(chǎn)率較低是限制飛絮衍生碳大規(guī)模應(yīng)用的重要因素，而且高產(chǎn)率與高比表面積、雜原子摻雜、優(yōu)良的多孔結(jié)構(gòu)是互斥的，比電容往往隨著多孔炭產(chǎn)率的降低而增大。

因此，飛絮基碳材料在今后的研究中應(yīng)從以下幾個(gè)方面尋求突破：①致力于雜原子含量可控調(diào)節(jié)、平衡比表面積和導(dǎo)電性的研究；②選用合適的材料，在飛絮衍生碳與負(fù)載材料之間建立“橋梁”解決界面組合問題，以促進(jìn)電子傳輸；③深入研究簡(jiǎn)單、綠色的制備工藝以獲得低成本、環(huán)境友好的高性能電極材料；④優(yōu)化合成工藝以提高產(chǎn)率，如使用較為溫和的活化劑。使用具有自活化功能的生物質(zhì)材料作為活化劑可以打破比電容與碳產(chǎn)率的負(fù)相關(guān)性。