第一作者：王涛

通讯作者：吴冬玲，贾殿赠

单位：新疆大学

电极材料与电解质是构筑高性能超级电容器的关键。开发大比表面积、孔结构可调、杂原子丰富、低成本、绿色环保的电极材料与高电导率、宽电压窗口的电解质是超级电容器的研究热点。壳聚糖是一种多糖类大分子，相邻的分子链相互连接可形成二维层状聚合物，具有自凝胶倾向，可用于制备凝胶电解质；其丰富的资源、低的提取成本、含有大量羟基以及氨基基团，加之其高生物相容性和可生物降解性，是一类优良碳（杂原子）源，可用于制备杂原子掺杂多孔炭。

新疆大学“省部共建碳基能源资源化学与利用”国家重点实验室吴冬玲教授课题组在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Chitosan derived porous carbon prepared by amino acid proton salt for high-performance quasi-state-solid supercapacitor”的研究文章。

氨基酸质子化后形成的酸性质子盐可使壳聚糖凝胶化，将凝胶浇注、裁剪即可得到各种尺寸的氨基酸质子盐-壳聚糖凝胶。此凝胶展现了优异的柔韧性与吸液性，在含有活化剂的溶液中浸泡后经干燥、炭化即制得杂原子掺杂多孔炭材料。凝胶经碱性或中性电解液浸泡后可直接作为准固态电解质使用，由此电解质及所制多孔炭组装的对称电容器展现出良好柔性、高能量密度和优异的循环稳定性（图1）。

图1 样品制备及电容器组装示意图。

分别选择天冬氨酸（酸性）、丝氨酸（中性）、赖氨酸（碱性）氨基酸，经硝酸质子化后与壳聚糖混合，采用溶液浇铸法制备出三种凝胶。浸泡KOH电解液的天冬氨酸质子盐凝胶膜（A-CGM）具有最大的电解液吸收率（329%），较小的本征电阻（0.46 Ohm）和较高的电导率（33.32 mS cm^-1），其最大伸长率接近101%。浸泡Na2SO4的A-CGM电解质膜电导率为20.82 mS cm^-1，电解质吸收率为188%，最大伸长率接近110%，最大抗拉强度为12.9 MPa。

图2 氨基酸质子盐-壳聚糖凝胶的电导率及拉伸性能。

A-CGM经不同浓度KHCO₃溶液浸泡，炭化后制得多孔炭。三电极体系下，在6 M KOH电解液的电容性能如图3所示。在0.5 A g^-1的电流密度下，HN-HPC-4-700样品具有459 F g^-1的高比电容，50 A g^-1的电流密度下，依然具有290 F g^-1的比电容，倍率性能优异，双电层电容贡献为90.0%，阻抗测试表明其具有最小的电荷传递电阻，弛豫时间为2.71 s，韦伯系数仅为0.26，具有快速的离子扩散能力。

图3 多孔炭在6 M KOH电解液组装的电容器的电容性能。

要点三：组装的准固态柔性电容器具有高能量密度。

将A-CGM/Na₂SO₄凝胶电解质与HN-HPC-4-700组装为柔性对称电容器，器件具有1.8 V的稳定电位窗口，能量密度可达28.3 Wh kg^-1并具有良好的循环性能，经不同角度折叠后，响应电流基本保持不变（图4）。

图4 多孔炭与凝胶电解质组装对称电容器的电容性能。

Chitosan derived porous carbon prepared by amino acid proton salt for high-performance quasi-state-solid supercapacitor

T. Wang, D. Wu*, F. Yuan, Q. Liu, W. Li, D. Jia*

吴冬玲教授简介：新疆大学化学学院教授，博士生导师，化学学院物化与绿色催化研究所副主任，入选新疆维吾尔自治区天山英才计划。主要从事功能碳材料的基础研究工作，包括新型碳材料的结构设计、功能化改性，新型低共熔电解液的设计制备，及面向能源领域应用的基础研究；

煤焦油分级分质利用新途径的探索。先后主持国家自然科学基金项目4项，新疆维吾尔自治区自然基金、自治区重点实验室专项等项目十余项，在J. Mater. Chem. A，Chem. Eng. J.，ACS Appl. Mater. Inter.，J. Power Sources，Electrochim Acta，ACS Sustain. Chem. Eng.，Mater. Today Chem.等学术期刊发表研究论文40余篇。曾获新疆维吾尔自治区自然科学奖一等奖1项（2020），新疆维吾尔自治区科技进步一等奖2项（2016、2011）。