超级电容器和电容去离子（ CDI）分别是解决能源危机和淡水资源不足的两种高效技术。具有分级孔结构的三维（3D）多孔碳框架作为上述两个领域的电极材料具有以下优点：1）可以通过缩短扩散路径来促进离子传输，并提供连续的电子路径以确保良好的电子传输；2）微孔可以为电解质离子提供大量的吸附位点，中孔可以提供快速的离子迁移通道，大孔可以将电解质存储在块状颗粒中，从而缩短了电解质离子从电解质到电极表面的传输距离。但是具有分级孔结构的3D多孔碳框架的制备通常涉及复杂、昂贵或耗时的合成路线，严重阻碍了它们的实际应用。考虑到大规模生产和广泛的商业化，寻找一种简单且可扩展的策略以有效地制造具有分级孔结构的3D多孔碳框架非常重要。
近期，北京航空航天大学的相艳教授课题组以荷叶杆（LS）为原材料，通过简单且可扩展的方法制备了具有三级孔结构的三维多孔碳框架。使用LS作为活性炭的前体有许多优点。首先，使用LS作为生产碳材料的前体既经济又环保。LS是一种废物，每年许多湖泊中都有大量的LS，导致水质污染。因此，使用LS作为前体可以在生产低成本的碳材料的同时减少因LS枯萎而造成的环境污染。此外，与其他报道的生物质碳源如废茶叶、微生物和各种果皮相比，LS对于大量生产多孔碳而言非常丰富。最重要的是，LS具有多面体大管阵列的独特的结构。LS的碳化和活化会产生具有分层多孔结构的多孔碳阵列：多面体大管与中孔和微孔保持在一起，这些中孔和微孔一起形成了具有多孔横截面轮廓的3D多孔结构。受益于这种独特的结构，这种碳质材料可以用作超级电容器和CDI/MCDI装置的理想电极材料。相关工作以“Mass-Producible Polyhedral MacrotubeCarbon Arrays with Multiholes Cross Section Profiles: Superb 3D Tertiary PorousElectrodes Materials for Supercapacitors and Capacitive Deionization Cells”为题发表在《Journalof Materials Chemistry A》上，第一作者是在读博士马秀梅，通讯作者是王伟教授、卢善富研究员和相艳教授。 本工作的方法简单易行，通过碳化和活化两步法即可大批量的得到 3D 多孔 碳框架。
探索了碳化温度对产物性质的影响，根据碳化温度的不同，将相应的产物命名为LSx/A800。其中在500 o C碳化后得到的产物LS500/A800具有最高的比表面积（2600m 2 g -1 ）、分级的孔结构（大孔-介孔-微孔）以及最高的杂原子含量和最佳的润湿性。这些特性有可能会使LS500/A800具有最佳的超级电容器和电容去离子性能。
在三个碳材料中，LS500/A800表现出最优的电容性能，比电容在1 A g-1下>370 F g-1。由两个相同的LS500/A800电极组装的超级电容器在 250 W kg-1下的比能量达到9.3 Wh kg-1 。LS500/A800电极循环10000圈比电容能仍能保持97%。
在500 mg L -1 NaCl溶液中，LS500/A800表现出最大的比容量，因此被应用于组装膜电容去离子（MCDI）装置。相比于由商业活性炭组成的MCDI，基于 LS500/A800 的MCDI的盐吸附容量和库伦效率都更高。此外，基于LS500/A800的MCDI吸附/脱附100圈后仍能有97%的盐吸附容量保持率。
该研究的最大意义在于为大规模生产环保、具有三级孔结构且坚固的碳材料打开了大门，这种材料可能会在超级电容器和电容去离子领域得到广泛应用。
来源：高分子科学前沿
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