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摘要：研究小组通过使用含锌的金属有机骨架化合物（MOFs）作为起始原料，开发出一种具有高比表面积且富含微孔和介孔的多孔碳材料，其用于双电层电容器的电极能够实现高容量，有望推动储能设备的电极材料以及燃料电池催化剂载体的开发。

关键字：多孔碳材料、电极材料、燃料电池催化剂载体、双电层电容器、高比表面积

要点

通过在高温下从含锌碳化物中升华锌，成功开发了一种具有分层结构和高比表面积的多孔碳材料。
通过原位观察X射线衍射测量，阐明了金属有机骨架化合物（MOFs）的烧制过程中，原料中所含的锌和氧的行为，及其对多孔碳的细孔特性的影响。
通过将制备的多孔碳用于双电层电容器的电极，实现了超过市售活性炭的高容量。

由日本冈山大学、关西学院大学、星和电机株式会社以及英国萨里大学等组成的国际共同研究小组通过使用含锌的金属有机骨架化合物（MOFs）作为起始原料，开发出一种具有高比表面积且富含微孔和介孔的多孔碳材料。

经研究表明，使用含锌的金属有机骨架化合物（MOFs）作为起始原料，锌和氧的含量比将影响锌在烧制过程中的动态行为，进而极大地影响多孔碳材料的细孔特性。这种多孔碳材料具有超过市售活性炭的高比表面积，用于双电层电容器的电极能够实现高容量。该成果提供了多孔碳材料的一种新型制备方法，将推动备受期待的储能设备的电极材料以及燃料电池催化剂载体的开发。

研究背景

多孔碳材料有望应用于气体吸附材料、净水过滤器、燃料电池催化剂载体以及储能设备用的电极材料等。在作为储能设备的双电层电容器的电极材料应用中，多孔活性炭用于吸附负责导电的大量离子，并确保导电性。碳的多孔化通过物理活化和化学活化实现。在化学活化中，使用锌/氧化锌的活化优点在于烧制后没有无机盐等残留，而且不需要酸处理。已有文献报告比表面积超过3000m²/g的多孔碳。然而，迄今为止尚未有文献阐明多孔化的机制。

研究成果

本研究通过使用含锌且不同组成比的两种MOFs（ZMOF1、ZMOF2）作为起始原料，并且将其加热至1000℃，制备了多孔碳（CZMOF1、CZMOF2），并发现尤其是CZMOF2（比表面积2678m²g^-1）的氮吸附量远超通过物理活化或化学活化所获得的市售活性炭YP50F（比表面积1600m²g^-1）和MSP20（比表面积2266m²g^-1）（图1a）。此外，还发现了CZMOF2含有微孔（约2nm），同时与YP50F和MSP20相比，富含尺寸为2-10nm的介孔。

在本研究中，为了阐明碳的多孔化机制，通过原位X射线衍射测量阐明了高温烧制过程中原料中所含的锌和氧生成氧化锌，氧化锌在900℃以上被还原，随后锌升华，从而形成了细孔（图1c）。使用该多孔碳作为双电层电容器的电极制作电容器电池，在10Ag^-1下进行了10万次循环测试，通过发光二极管的点亮实验确认了该电池仍然能够有效工作。

图1.png

图1

（a）氮吸附等温曲线

（b）平均孔径分布（CZMOF1（红色）、CZMOF2（蓝色）、YP50F（黑色）、MSP20X（绿色））

（c）通过原位X射线衍射测量获得各烧制温度的X射线衍射图（ZMOF（红色）、ZMOF2（蓝色）、氧化锌（黑色））

（d）10万次循环的充放电测试（10Ag^-1），发光二极管点亮确认测试后电池仍能有效工作

社会意义

“可再生能源”是实现绿色环保社会的关键词之一。可再生能源电力在回收时存在着输出波动的问题，需要高输出的双电层电容器来使其平稳化。此外，电动汽车（EV）和燃料电池汽车（FCV）的普及正推进脱碳社会的实现，催化剂/催化剂载体的开发是当务之急。本研究所阐明的多孔化机制有望应用于双电层电容器的电极材料或催化剂/催化剂载体的开发。

高比表面积电容器碳电极的开发