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中餐馆里的思考:把鸡蛋变成超级电容器,总共分几步?

中餐馆里的思考:把鸡蛋变成超级电容器,总共分几步?

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

中餐馆里的思考:把鸡蛋变成超级电容器,总共分几步?

【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)。

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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)。

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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)。

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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:

中餐馆里的思考:把鸡蛋变成超级电容器,总共分几步?

【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.

供稿| 清新电源刘田宇
部门| 媒体信息中心科技情报部
  编辑 | 清新电源刘田宇
主编| 张哲旭

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