东北林大王成毓团队Nano Today：生态型超级电容器最新综述
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阅读： 2024/1/26 11:10:17
由于木材具有来源广泛、可降解性强以及孔道结构独特等特点，在可持续能源领域受到了广泛关注。将三维木材制备成电极材料为生态型超级电容器的可持续发展提供了新的契机。
东北林业大学王成毓教授团队梳理了三维木质厚电极在生态型超级电容器领域的最新研究进展。首先介绍了天然木材的种类、组分和结构，归纳了木质厚电极用于生态型超级电容器的优势；随后，从制备方法的角度总结了木质厚电极的结构调控策略；最后，提出了该领域目前所面临的主要挑战和机遇。该工作以“Structural designs of advanced wood-based thick electrodes for high-performance eco-supercapacitors”为题发表在Nano Today期刊上（DOI: 10.1016/j.nantod.2024.102154）。论文的通讯作者为东北林业大学王成毓教授，李煜东副教授和北京大学博士后李蒙刚博士，第一作者为东北林业大学2021级博士生于源。
天然木材
天然木材是一种成分复杂的大分子材料，根据来源和结构差异可分为硬木和软木。尽管硬木和软木在微观结构和各组分含量有所差异，但组分基本相同，均由木质素、纤维素和半纤维素构成，通过对木材的组分进行去除或加以修饰可得到功能化木材（图1）。
图1. 木材细胞壁层次结构及其组分
木材天然的阵列式排列和低弯曲度的孔结构使其十分适合应用于能源储存领域。相比于传统的厚电极，木质厚电极具有更快的电子传输速率，并且通过对木材进行适当处理可以得到富含微米、纳米孔结构的厚电极，为离子的吸附脱附提供了更多的活性位点（图2）。
图2. 木质厚电极用于储能领域的优势
木质厚电极的结构调控策略
木质厚电极的制备策略主要分为两类：高温处理法和低温处理法（图3）。高温处理法可实现碳化、热裂解、活性材料的掺杂和结构的优化。通过在惰性气氛中高温处理可实现木材石墨化，然而，仅由高温碳化来提高木质厚电极的比电容具有局限性；在碳化的木质厚电极上进一步引入缺陷或构建活性结构，可以加速电子和离子的迁移，从而提高碳化木质厚电极的能量密度和比电容；对碳化的木材厚电极进行水热、电化学沉积或二次煅烧等后处理，可以进一步优化活性材料的结构，具有特殊形貌的活性材料可暴露出更大的活性面积，实现木质厚电极比电容的提升。低温处理法可实现水溶性活性材料的负载。苯胺、吡咯、噻吩等导电聚合物单体可在适宜的酸碱环境下以聚合物的形式均匀的生长在预处理后的木材上；MXene、PEDOT:PSS和羧基化碳纳米管等导电活性物质可通过浸渍法负载在木材细胞壁上；在木材上原位生长导电聚合物或涂覆水溶性导电材料可在低温或常温下实现从木绝缘体到木质厚电极的转变。
图3. 用于生态超级电容器的木质厚电极的结构调控与制备策略
总结与展望
木质厚电极在生态型超级电容器中的发展已经较为成熟。为了进一步提高比电容并实现真正的实际应用，仍存在以下挑战：
1）调控木材结构和成分。
2）提高木材利用率。
3）平衡能耗与性能。
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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