麻辣小龍蝦因其麻辣鮮香的口味受到眾多消費(fèi)者的喜愛，但絕大部分人都不知道，那罩在蝦肉外面的硬硬的殼，能做的遠(yuǎn)不只保護(hù)小龍蝦鮮嫩美味的肉體那么簡單。

小龍蝦殼中提取出的甲殼素和殼聚糖，能夠廣泛用于化工領(lǐng)域。如甲殼素及其衍生物可用于食品、化工、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、紡織等領(lǐng)域，殼聚糖可用在化妝品、絮凝劑、飼料、吸附劑等產(chǎn)品的制備上。

除此之外，不久前有研究人員發(fā)現(xiàn)，小龍蝦殼還可用于電極材料的制備。

2020 年 11 月 27 日發(fā)表在 Carbon 上的一篇論文顯示，小龍蝦殼（Crayfish Shell，CS）在制作高性能電極材料中大有用途，可以用 CS 和重質(zhì)生物油（heavy fraction of bio-oil）合成 3D 互連的多層分孔碳（hierarchical porous carbons），進(jìn)而制成高性能超級電容器的電極材料。該論文由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)和能源工程系教授朱錫鋒及其課題組成員以題為 Synthesis of 3D-interconnected hierarchical porous carbon from heavy fraction of bio-oil using crayfish shell as the biological template for high-performance supercapacitors（以小龍蝦殼為生物模板與重質(zhì)生物油合成分層互聯(lián)多孔碳，用作超級電容器的高性能電極）的文章發(fā)布。

圖 | CS 和 HB 制備多層分孔碳用作超級電容器電極示意圖（來源：論文）

用小龍蝦殼輔助作電極材料

隨著智能可穿戴設(shè)備、電動汽車等以電為驅(qū)動的裝備迅猛增長，更高性能的儲能設(shè)施已經(jīng)成為緊迫的需求。超級電容器因其高功率密度、高充放電循環(huán)壽命以及更大的儲能容量被視為潛力巨大的儲電佳選。

對此，朱錫鋒團(tuán)隊(duì)提出了低成本的環(huán)保方案用于超級電容器電極材料的制備。他們將農(nóng)林廢棄物重質(zhì)生物油和廚余垃圾小龍蝦殼進(jìn)行巧妙結(jié)合，制備了可用于超級電容器電極材料的分層多孔碳。

實(shí)驗(yàn)材料易獲得但處理過程較為復(fù)雜，首先要對小龍蝦殼進(jìn)行凈化處理，以還原殼體本來面目，釋放更多的孔結(jié)構(gòu)。

朱錫鋒團(tuán)隊(duì)采取的方法是，先將 CS 放到 105 °C 烤箱中充分烘烤 24 小時至干燥，取出研磨成粉末，經(jīng)過 NaClO 溶液脫色、蒸餾水洗滌、NaOH 溶液脫蛋白處理，將樣品洗滌后重復(fù)前述干燥步驟，可以得到在 FESEM 圖像中呈現(xiàn)豐富孔結(jié)構(gòu)的樣品 ——CS 生物模板。

接下來讓 HB 進(jìn)入到 CS 模板的孔洞中形成帶有 CS 模板的碳質(zhì)材料，然后用鹽酸除去材料表面模板，讓 NaOH 能夠再度活化上一步得到的材料形成更多孔洞。

最終得到的產(chǎn)物根據(jù)活化溫度的不同（700、800、900 °C）分別命名為 CSB-700 、 CSB-800 、 CSB-900 。為了對比小龍蝦殼在其中發(fā)揮的作用，朱錫鋒團(tuán)隊(duì)將使用小龍蝦殼模板進(jìn)行輔助制成的 CSB-n 與未使用 CS 模板制備而成的 HB-800 進(jìn)行比較。

圖 ｜ HB-800 和 CSB-n 結(jié)構(gòu)對比（來源：論文）

對比 HB-800 與 CSB-n 的結(jié)構(gòu)可見，使用 CS 模板碳化 HB 得到的 CSB-n（n = 700、800 或 900）具有明顯的分層孔結(jié)構(gòu)。CSB-n 能夠呈現(xiàn)明顯的分層孔結(jié)構(gòu)是因?yàn)樵诨罨A段，有豐富孔結(jié)構(gòu)的碳材料與活化劑充分接觸，NaOH 得以對材料進(jìn)行更加充分的蝕刻。這表明，小龍蝦殼在其中發(fā)揮了重要的作用。

另外，朱錫鋒團(tuán)隊(duì)得出的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，CSB-800 在制作電極材料上具有巨大潛力。

CS輔助下的高性能HPC

朱錫鋒團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，CSB-800 具有優(yōu)異的儲電能力。

對比 HB-800 和 CSB-n 的 XRD 光譜圖，四種材料均具有典型的 002 和 100 兩個衍射峰值。相比之下，CSB-800 的 002 衍射波動較小，這體現(xiàn)了 CSB-800 具有相對優(yōu)異的電荷存儲能力。

圖 ｜ XRD 圖譜（來源：論文）

另外，在長期循環(huán)穩(wěn)定性測試中，CSB-800 // CSB-800 對稱超級電容器能夠保持高庫侖效率（92％）和重量比電容（64 F / g）在 1 A g 的電流密度下經(jīng)過 5000 次循環(huán)。并且，CSB-800 // CSB-800 對稱超級電容器在 350 W / kg（0.5A / g）的功率密度下可以達(dá)到 20 W h kg-1 的出色質(zhì)量能量密度，進(jìn)一步證明了 CSB-800 用于電極材料的優(yōu)勢。

不過，值得注意的是，從 XRD 圖譜中衍射峰值散射角自 CSB-700 的 20o 增加到 CSB-800 的 25.8o，可以說明石墨化的程度是隨著溫度的升高而提升的。這一趨勢也體現(xiàn)在拉曼光譜中，測試結(jié)果共呈現(xiàn) 3 個峰值，其中 D 波段與 G 波段的峰強(qiáng)度比（ID / IG）為 CSB-700﹥ CSB-800﹥ HB-800﹥ CSB-900，這同樣表明活化溫度最高的 CSB-900，石墨化程度也是最高的。

石墨化越高導(dǎo)電性就越強(qiáng)，而碳的無序性又可以增加電荷存儲和潤濕性，但導(dǎo)電性和儲電性對電極材料都是至關(guān)重要的。

圖 ｜ 拉曼光譜（來源：論文）

上述種種數(shù)據(jù)表明，小龍蝦輔助重質(zhì)生物油制成的分層多孔碳對超級電容器電極的性能有優(yōu)化作用，為電極材料制備提供了新的思路。但該技術(shù)還處于初步階段，還有很多問題有待解決，比如如何在增強(qiáng)石墨化以提升導(dǎo)電性和增加碳的無序性來提高電荷存儲性能之間找到平衡點(diǎn)就是其中之一。

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