成果简介

本文，吕勒奥科技大学Kristiina Oksman等研究人员在《ACS Appl. Nano Mater.》期刊发表名为“Ice-Templating of Lignin and Cellulose Nanofiber-Based Carbon Aerogels: Implications for Energy Storage Applications”的论文，研究采用一种绿色、简便的制备方法，包括冰模板法、冷冻干燥法和碳化法，合成了多级多孔碳气凝胶（CAs）。首次报道了以7.5 K/min的冷却速度制备的CAs，显示了1260 m2 g–1的高比表面积（SSA），无需任何物理或化学活化步骤，使用后一种气凝胶制备的电极显示出优异的电化学性能，在2 m V s–1下的比电容为410 F g–1，在4500次充放电循环后的循环稳定性为94%。

研究了冰模板冷却速度和悬浮液中木质素和纤维素纳米纤维（CNF）的固含量对CAs结构和电化学性能的影响。冰模板工艺和冷却速度对纳米多孔结构的形成和碳气凝胶的比表面积有很大的影响，而木质素纳米纤维素悬浮液的固含量影响甚微。当组装成超级电容器（SC）时，在0.1 a g–1下获得了240 F g–1的显著比电容。制备的SC的弛豫时间常数为1.3s，这表明这些SC的响应速度很快。此外，在功率密度为500 W kg–1时，还获得了4.3 Wh kg–1的能量密度。因此，本研究为制备用于未来储能应用的绿色、环保、独立、高性能 CA 电极开辟了新视角。

图文导读

图1. 准备 CA 所涉及的各种过程的示意图

图2、（a） CNF的AFM高度图像，（b）在22°C左右测得的水性L/CNF悬浮液的粘度，（C）在碳化过程中使用的类似条件下L和CNF的热行为，以及（d）在1000°C下碳化L/CNF气凝胶后获得的碳产率。

图4. (a) 不同冰模板冷却速率制备的 CA的N2吸附等温线；(b) 相应CA的孔径分布；(c) CA 的比表面积；(d) C7.5W7 的拉曼光谱。

图4. L/CNF CA 在 10、7.5 和 5 K/min 的不同冰模板冷却速率下的 SEM 图像

图5. 使用不同冰模板冷却速率（10、7.5、5 K/min）制备的 CA 的三维 X 射线显微断层扫描结果

图6. 三电极法获得的 CAs 的电化学行为

图7. 从 C7.5W7 的双电极分析中获得的电化学阻抗谱 (EIS) 结果

小结

综上所述，本文所制备的CA电极是独立的、无粘结剂的，无需特殊的活化步骤，表明其在SCs中具有多方面的潜力，可用于未来的储能应用。除了储能之外，控制冰模板参数以调整结构的想法有利于开发用于其他应用的分层多孔材料，如电磁干扰屏蔽、CO2吸附、碳气凝胶复合材料、绝缘材料等。

文献：

https://doi.org/10.1021/acsanm.2c01033