超級(jí)電容器和電容去離子（CDI）分別是解決能源危機(jī)和淡水資源不足的兩種高效技術(shù)。具有分級(jí)孔結(jié)構(gòu)的三維（3D）多孔碳框架作為上述兩個(gè)領(lǐng)域的電極材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1）可以通過(guò)縮短擴(kuò)散路徑來(lái)促進(jìn)離子傳輸，并提供連續(xù)的電子路徑以確保良好的電子傳輸；
2）微孔可以為電解質(zhì)離子提供大量的吸附位點(diǎn)，中孔可以提供快速的離子遷移通道，大孔可以將電解質(zhì)存儲(chǔ)在塊狀顆粒中，從而縮短了電解質(zhì)離子從電解質(zhì)到電極表面的傳輸距離。
但是具有分級(jí)孔結(jié)構(gòu)的3D多孔碳框架的制備通常涉及復(fù)雜、昂貴或耗時(shí)的合成路線，嚴(yán)重阻礙了它們的實(shí)際應(yīng)用?？紤]到大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛的商業(yè)化，尋找一種簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展的策略以有效地制造具有分級(jí)孔結(jié)構(gòu)的3D多孔碳框架非常重要。
近期，北京航空航天大學(xué)的相艷教授課題組以荷葉桿（LS）為原材料，通過(guò)簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展的方法制備了具有三級(jí)孔結(jié)構(gòu)的三維多孔碳框架。使用LS作為活性炭的前體有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，使用LS作為生產(chǎn)碳材料的前體既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。LS是一種廢物，每年許多湖泊中都有大量的LS，導(dǎo)致水質(zhì)污染。因此，使用LS作為前體可以在生產(chǎn)低成本的碳材料的同時(shí)減少因LS枯萎而造成的環(huán)境污染。此外，與其他報(bào)道的生物質(zhì)碳源如廢茶葉、微生物和各種果皮相比，LS對(duì)于大量生產(chǎn)多孔碳而言非常豐富。最重要的是，LS具有多面體大管陣列的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。LS的碳化和活化會(huì)產(chǎn)生具有分層多孔結(jié)構(gòu)的多孔碳陣列：多面體大管與中孔和微孔保持在一起，這些中孔和微孔一起形成了具有多孔橫截面輪廓的3D多孔結(jié)構(gòu)。受益于這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，這種碳質(zhì)材料可以用作超級(jí)電容器和CDI/MCDI裝置的理想電極材料。相關(guān)工作以“Mass-Producible Polyhedral MacrotubeCarbon Arrays with Multiholes Cross Section Profiles: Superb 3D Tertiary PorousElectrodes Materials for Supercapacitors and Capacitive Deionization Cells”為題發(fā)表在《Journalof Materials Chemistry A》上，第一作者是在讀博士馬秀梅，通訊作者是王偉教授、盧善富研究員和相艷教授。本工作的方法簡(jiǎn)單易行，通過(guò)碳化和活化兩步法即可大批量的得到3D多孔碳框架。
探索了碳化溫度對(duì)產(chǎn)物性質(zhì)的影響，根據(jù)碳化溫度的不同，將相應(yīng)的產(chǎn)物命名為L(zhǎng)Sx/A800。其中在500?oC碳化后得到的產(chǎn)物L(fēng)S500/A800具有最高的比表面積（2600m2?g-1）、分級(jí)的孔結(jié)構(gòu)（大孔-介孔-微孔）以及最高的雜原子含量和最佳的潤(rùn)濕性。這些特性有可能會(huì)使LS500/A800具有最佳的超級(jí)電容器和電容去離子性能。
在三個(gè)碳材料中，LS500/A800表現(xiàn)出最優(yōu)的電容性能，比電容在1 A?g-1下>370 F?g-1。由兩個(gè)相同的LS500/A800電極組裝的超級(jí)電容器在250 W kg-1下的比能量達(dá)到9.3 Wh kg-1。LS500/A800電極循環(huán)10000圈比電容能仍能保持97%。
在500 mg L-1?NaCl溶液中，LS500/A800表現(xiàn)出最大的比容量，因此被應(yīng)用于組裝膜電容去離子（MCDI）裝置。相比于由商業(yè)活性炭組成的MCDI，基于LS500/A800的MCDI的鹽吸附容量和庫(kù)倫效率都更高。此外，基于LS500/A800的MCDI吸附/脫附100圈后仍能有97%的鹽吸附容量保持率。
該研究的最大意義在于為大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)保、具有三級(jí)孔結(jié)構(gòu)且堅(jiān)固的碳材料打開了大門，這種材料可能會(huì)在超級(jí)電容器和電容去離子領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
