【摘要】 在Yuan-En Zhu等人的工作中报告了通过简单的碳化过程从玉米秸秆髓中获得的生物质衍生硬碳。

近年来，钠离子电池(SIBs)因其低廉的价格和天然丰富的Na资源而备受关注，被认为是替代锂离子电池的下一代储能设备。更重要的是，由于钠与锂在元素周期表中的位置相同，钠与锂具有许多相似的化学和物理性质，并且sib和lib具有相似的基本原理，而硬碳被认为是实用钠离子电池最有前途的负极材料。

 

在Yuan-En Zhu等人的工作中报告了通过简单的碳化过程从玉米秸秆髓中获得的生物质衍生硬碳。实验过程中以玉米秸秆为原料，通过热解制备了硬碳。将玉米秸秆髓在管式炉中，在1200、1400、1600℃氩气流下碳化2 h，最终产品分别标记为HC1200、HC1400、HC1600。

图1 XRD谱图和拉曼光谱

 

首先进行XRD谱图和拉曼光谱分析，结果如图1a、b所示。在所有的XRD谱图中，在23°和43°处可以观察到两个宽峰，它们分别属于无序和非晶碳结构中的(002)和(100)晶体面。

 

随着炭化温度的升高，(002)峰位置发生大角度偏移，表明高温会导致石墨片层间距离(d002)减小(见表S1)[28]。喇曼光谱在~ 1358和~ 1592 cm−1处有两个突出的峰，分别属于D带(无序和缺陷的sp2碳原子)和G带(平面sp2碳原子)。

 

随着炭化温度的升高，G带和D带的半宽减小，进一步说明了局部近程有序结构的形成。结果与以前的报告一致。

 

图2 SEM和TEM形貌图

 

通过SEM和TEM对制备的样品进行形貌观察，如图2所示。所有硬碳材料在形貌上没有明显的差异，存在均匀的纳米片结构，宽度为0.5 ~ 1.5 μm(图2a-c)。HRTEM图像显示所有样品均由涡层纳米晶体组成。样品的不同之处在于短程阶数的不同。

 

此外，在涡轮结构域周围检测到许多纳米空洞。随着炭化温度的升高，出现了更加有序的涡轮结构。这可能是由于一些杂原子的还原和碳原子在较高温度下的重排。

 

此外，在SAED图中，可以清楚地观察到分散的衍射环，这进一步表明了碳的涡层结构。随着碳化温度的升高，衍射环变得更加尖锐，这说明出现了更多更大的有序结构。HRTEM和SAED结果与拉曼光谱吻合较好

 

x射线衍射图和拉曼光谱证实了硬碳的高度无序结构，高分辨率透射电子显微镜证实了硬碳具有许多含有涡轮结构纳米畴的局部有序结构，并且在涡轮结构纳米畴周围有更多的纳米空隙。

 

系统地研究了硬碳在钠离子电池中的电化学性能。通过优化炭化温度，在1400℃炭化的样品(HC1400)具有310 mAh g-1的高可逆容量和良好的循环稳定性;经过100次循环后，容量仍可保持274 mAh g-1。

 

更重要的是，HC1400可以提供206 mAh g-1的可逆容量，在200 mA g-1的电流密度下测量700次循环后保持率为79%，这比大多数先前的报道要好得多。这项研究提供了一种从生物质中开发廉价、可再生和可回收材料的方法，用于下一代储能应用。

 

[1] Zhu, YE., Gu, H., Chen, YN. et al. Hard carbon derived from corn straw piths as anode materials for sodium ion batteries. Ionics 24, 1075–1081 (2018). https://doi.org/10.1007/s11581-017-2260-1

 

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