中餐馆里的思考：把鸡蛋变成超级电容器，总共分几步？

【基本信息】

1.    作者信息：美国弗吉尼亚大学（University of Virginia）Zhang, Yunya博士（第一作者）、Li, Xiaodong教授（通讯作者）等

2.    研究主题：电化学储能-超级电容器-器件-生物衍生材料

3.    发表时间：2019年8月22日上线

【鸡蛋美食引发的联想】

你有一个鸡蛋，怎么整？煮？煎？炒？卧鸡蛋？来自美国弗吉尼亚大学Xiaodong Li课题组的Yunya Zhang博士没有选择做吃货，而是把一个鸡蛋变成了超级电容器。

张博士的灵感来源于中国传统美食：蛋花汤和皮蛋。他是这么思考的：汤里一片片蛋花碳化后可以形成超薄碳，这样的材料或许能做超级电容器电极。皮蛋这种剔透的固态质感是凝胶电解质的不二特点。思罢，张博士回到实验室开始了他认为极其“疯狂”的实验——把鸡蛋变成全固态超级电容器。

【总共分几步？】

第一步，制备超薄活性碳电极。将蛋壳在空气中高温钙化形成CaCO₃，与蛋清、蛋黄充分混合后惰性气氛下高温碳化。碳化结束后用盐酸除去未反应的无机盐成分，超薄活性炭就制成了。该活性炭形貌类似石墨烯（图1a）。原子力显微镜（AFM）表明超薄活性炭厚度在10 nm以下，最薄仅1.25 nm，接近单层氧化石墨烯的厚度（图1b-1e）。超薄活性炭可均匀分散在水中，静置10周后无明显团聚、沉淀，显示出良好分散稳定性（图1f）。这可能得益于超薄活性炭表面的含氧和含氮官能团（图1g、h）增加了碳的亲水性，抑制了沉降。随着碳化温度提高，氧和氮含量迅速降低（图1i-j）。此外，进一步的KOH活化处理可将超薄活性炭的比表面积提高三倍并产生纳米孔（图1k-m），而杂原子含量受KOH用量影响微弱（图1n）。

图1. 由蛋壳、蛋黄和蛋清合成的超薄活性炭。来源：Nano Energy。

第二步，制备固态电解质。将剩下的蛋清和蛋黄与6 M KOH水溶液混合，形成淡黄色的水凝胶（图2a）。干燥后的水凝胶可塑性强并有一定的韧性，可用作超级电容器的固态电解质。X射线光电子能谱（XPS）和X射线衍射（XRD）表明这种水凝胶是一种复杂的有机大分子和无机盐的混合物（图2b-d），其离子导电性约为6 M KOH液态电解质的三分之一（图 2e）。电解质的离子导电性在暴露于空气中24小时内无明显变化（图2f）。

图2. 由鸡蛋合成的水凝胶固态电解质。来源：Nano Energy。

第三步，制作隔膜。直接将蛋壳内部那层薄薄的白色隔膜小心分离出来使用。这样鸡蛋的每一个成分都没浪费。

第四步，组装固态超级电容器（图3a）。器件具有良好稳定性。循环伏安曲线（图3b）和恒电流充放电曲线（图3c）在器件弯折或扭曲的情况下无明显变化。两个串联的超级电容器可对外输出大于2 V电压，点亮一盏蓝色发光二极管不是问题（图3d）。

图3. 由鸡蛋合成的固态超级电容器结构及性能。来源：Nano Energy。

用下面这种流程图给今天的故事做个结尾吧：

【原文链接】

更多细节请参见原文：

Yunya Zhang, Jiajun He, Zan Gao, Xiaodong Li* Converting Eggs to Flexible, All-Solid Supercapacitors. Nano Energy, 2019, 65, 104045.