麻辣小龍蝦因其麻辣鮮香的口味受到眾多消費者的喜愛，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，朱錫鋒團隊提出了低成本的環(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。

實驗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)。

朱錫鋒團隊采取的方法是，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，朱錫鋒團隊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)是因為在活化階段，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，朱錫鋒團隊得出的各項實驗數(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

朱錫鋒團隊實驗數(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，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就是其中之一。

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