天生我材必有用，此言非虛也！大自然造化神奇，似乎無(wú)物不可入科研。仿生材料及技術(shù)的蓬勃發(fā)展，便是明證。有鑒于此，我們對(duì)利用自然界和生活中常見(jiàn)的生物/物體進(jìn)行科學(xué)研究的案例做了一些匯總，分期進(jìn)行報(bào)道，希望能幫助大家挖掘出新的idea。
第一期：生物質(zhì)炭
提起生物質(zhì)衍生材料，碳材料位列第一。做超級(jí)電容器的應(yīng)該對(duì)此很了解，最多見(jiàn)的就是拿各種多孔結(jié)構(gòu)的生物材料進(jìn)行炭化活化。君不見(jiàn)，秸稈麥皮、蓮蓬殼荷葉荷葉莖、杏鮑菇蘑菇金針菇木耳海帶、各種樹(shù)葉菜葉樹(shù)枝/莖、各種花瓣（月季花荷花玫瑰花）、花粉、小草、苔蘚、果皮果渣（柚子皮、香蕉皮、甘蔗渣、花生殼）、楊梅、西瓜瓤、羊毛、楊絮、魚(yú)刺、瓜子皮、香煙濾嘴、雞蛋中的呼吸膜、雞蛋蛋白、蠶繭、劍麻、可樂(lè)、尿液、孢子、細(xì)菌等等，燒一燒，都有效，可謂無(wú)所不用其極。下面，我們選取部分案例來(lái)感受一下研究者們的腦洞~
尿液：一場(chǎng)增值之旅
韓國(guó)Jong-Sung Yu團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的無(wú)模板方法，通過(guò)使用最豐富的人類(lèi)廢物“尿液”來(lái)獲得多孔和雜原子摻雜的碳（URC）。研究者發(fā)現(xiàn)存在于尿中的礦物鹽可以在碳化期間被蒸發(fā)，剩余的可以在酸處理期間從所得的碳中蝕刻掉，以在碳骨架中產(chǎn)生大量的微/中孔。因此，使用尿液作為碳前體不需要使用有害的活化劑和模板來(lái)進(jìn)行耗時(shí)的額外活化過(guò)程。另外，通過(guò)調(diào)節(jié)碳化溫度可以控制從尿中獲得的碳的電導(dǎo)率。（心理強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)，佩服地五體投地。以尿液做原料，犧牲很大。）應(yīng)用于超級(jí)電容器中，研究者發(fā)現(xiàn)URC中的雜原子摻雜和表面結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)。合適的雜原子含量和多孔結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)贗電容和雙電層電容，使得URC產(chǎn)生優(yōu)異的電容。最佳碳電極URC-900 ℃具有高BET表面積（1040.5m2 g-1），良好的導(dǎo)電性和有效的N、S和P雜原子摻雜，在5 A g-1下5000次循環(huán)中僅有1.7％的電容衰減。
Fatemeh Razmjooei, Kiranpal Singh, Tong HyunKang, Nitin Chaudhari, Jinliang Yuan, Jong-Sung Yu, Urine to highly porousheteroatom-doped carbons for supercapacitor: A value added journey for humanwaste, Scientific Reports, 2017.
https://www.nature.com/articles/s41598-017-11229-6
熟米飯發(fā)的霉
浙大夏新輝課題組將廢棄熟米飯接種米曲霉菌株，發(fā)酵后得到米曲霉孢子，900℃熱處理后轉(zhuǎn)化為孢子碳(SC)。SC呈現(xiàn)出特殊的凹陷多孔結(jié)構(gòu)，具有粗糙的紋理和皺紋迷宮式的二級(jí)結(jié)構(gòu)。由于米曲霉孢子含有蛋白質(zhì)和含有N，P元素的核酸，因此制備得到的SC帶有N和P雙摻雜。進(jìn)一步嵌入Ni2P納米顆粒（充當(dāng)制孔劑）以形成具有更大比表面和增強(qiáng)導(dǎo)電性的高度多孔孢子碳/ Ni2P復(fù)合材料。將該復(fù)合材料與硫結(jié)合用于鋰硫電池正極，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。物理阻擋效應(yīng)（多孔迷宮結(jié)構(gòu)）和化學(xué)吸附效應(yīng)（N、P雙摻雜與極化Ni2P）的協(xié)同作用是抑制多硫化物穿梭的主要因素。
Spore Carbon from Aspergillus Oryzae for Advanced Electrochemical Energy Storage[J],Advanced Materials, 2018.
DOI:10.1002/adma.201805165
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201805165
柚子皮
柚子是一種好吃又降火的水果，它的皮大多歸為濕垃圾被扔掉。柚子內(nèi)皮（WSE）主要由基于纖維素的材料組成，具有豐富的天然雜原子（如N，S，O）。東北大學(xué)Shulan Wang、Xuan Liu和Li Li團(tuán)隊(duì)將KOH活化和WSE的Co2+浸漬結(jié)合制備出高度有序的泡沫狀分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)碳材料，其具有大的比表面1265m2 g-1、分層互連多孔結(jié)構(gòu)（微孔、中孔和大孔）以及豐富的雜原子摻雜以增強(qiáng)贗電容的特征。該碳質(zhì)材料在電流密度為0.2 A g-1時(shí)達(dá)到550 F g-1的電容，在10000次循環(huán)后具有97％的保留率。
Song Yang, Shulan Wang, Xuan Liu, Li Li,Biomass derived interconnected hierarchical micro-meso-macro- porous carbonwith ultrahigh capacitance for supercapacitors, Carbon, 2019.
DOI: 10.1016/j.carbon.2019.03.023
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622319302465
楊梅
沒(méi)錯(cuò)，這里的楊梅正是宋代詩(shī)人平可正詩(shī)句中“五月楊梅已滿(mǎn)林，初疑一顆值千金。”的那個(gè)楊梅！（放開(kāi)那顆楊梅，我要吃~）
溫州大學(xué)王舜教授課題組的金輝樂(lè)、李俊聯(lián)合美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室陸俊研究員和加拿大溫莎大學(xué)王繼昌教授創(chuàng)新性地利用可再生廉價(jià)生物質(zhì)楊梅為前驅(qū)體，制備了Fe/N/S共摻雜的多級(jí)孔碳球/片雜化納米固體（FeSN-C）材料。該材料用于超級(jí)電容器中體積比電容為1320.4 F cm-3，體積比能量221.9 WhL-1，大電流充放電（80 A g-1）條件下的循環(huán)壽命>10萬(wàn)次。
Xiaomei Dong, Huile Jin, Rongyue Wang,Jingjing Zhang, Xin Feng, Chengzhan Yan, Suqin Chen, Shun Wang, Jichang Wang,Jun Lu, High Volumetric Capacitance, Ultralong Life Supercapacitors Enabled byWaxberry‐Derived Hierarchical Porous Carbon Materials, Advanced EnergyMaterials, 2018.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201702695
海帶
中科院煤炭化學(xué)研究所Wenzhong Shen團(tuán)隊(duì)選擇一種富含O和N的海帶作為生物質(zhì)前體，制備出具有多孔結(jié)構(gòu)和親水表面的蜂窩狀多孔碳用作超級(jí)電容器的電極材料。豐富的表面化學(xué)官能團(tuán)和較短的電解離子擴(kuò)散路徑賦予海帶基蜂窩狀多孔碳優(yōu)異的超級(jí)電容器性能，為實(shí)際超級(jí)電容器應(yīng)用鋪平了道路。孔體積和比表面積達(dá)到接近1.0 cm3 g-1和2000 m2g-1，并且可以通過(guò)海藻與KOH的比例調(diào)節(jié)空腔厚度。
Jiashi Wang, Fangfang Qin, Zhongya Guo,Wenzhong Shen, Oxygen- and Nitrogen-Enriched Honeycomb-Like Porous Carbon fromLaminaria japonica with Excellent Supercapacitor Performance in AqueousSolution, ACS Sustainable Chem. Eng., 2019.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.9b01448
香煙濾嘴
中國(guó)生產(chǎn)的香煙占全世界香煙總產(chǎn)量的40%，生產(chǎn)的香煙90%以上都在國(guó)內(nèi)消費(fèi)，中國(guó)煙民每年消耗的香煙達(dá)2萬(wàn)億支，香煙濾嘴作為垃圾超過(guò)80萬(wàn)公噸。濾嘴的主要成分是醋酸纖維素，在自然界無(wú)法生物降解。諾丁漢大學(xué)RobertMokaya團(tuán)隊(duì)以香煙濾嘴為原料，通過(guò)水熱碳化和后期活化的方法，制備得到的碳材料具有高的比表面積4300 m2g-1和高的孔容2.09 cm3 g-1。
Troy Scott Blankenship, Robert Mokaya,Cigarette butt-derived carbons have ultra-high surface area and unprecedented hydrogen storage capacity, Energy Environ. Sci., 2017.
https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2017/ee/c7ee02616a
西瓜瓤：吃不完的燒一燒
西瓜作為夏季消暑水果，中科大An-Wu Xu和中科院Xiangke Wang團(tuán)隊(duì)將西瓜瓤作為碳源（只想吃不想燒），合成出一種簡(jiǎn)便綠色無(wú)模板的海綿狀碳質(zhì)凝膠，獲得的3D柔性碳質(zhì)凝膠（CG）由碳質(zhì)納米纖維和納米球制成，其具有高的化學(xué)活性并顯示出優(yōu)異的柔韌性。研究者通過(guò)將Fe3O4納米顆粒摻入碳質(zhì)凝膠網(wǎng)絡(luò)中合成了碳質(zhì)凝膠基復(fù)合材料，通過(guò)煅燒進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為磁鐵礦碳?xì)饽z（MCA）。MCA保持原始CG的多孔結(jié)構(gòu)，在6M KOH溶液中，在-1.0至0V的電位窗內(nèi)，MCA在1A g-1下表現(xiàn)出優(yōu)異的333.1 F g-1電容，在1000次循環(huán)后具有96％的電容保持率。
Xi-Lin Wu, Tao Wen, Hong-Li Guo, Shubin Yang,Xiangke Wang, An-Wu Xu, Biomass-Derived Sponge-like Carbonaceous Hydrogels and Aerogels for Supercapacitors, ACS NANO, 2013.
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn400566d
碳酸飲料：喝不完的碳化下
橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Pengfei Zhang和Sheng Dai團(tuán)隊(duì)通過(guò)將碳酸飲料（CB）進(jìn)行水熱碳化（200℃）和氮?dú)鉄崽幚恚?00-1000℃）得到一系列比表面積高達(dá)3633 m2 g-1的碳材料。豐富的內(nèi)部孔隙度通過(guò)自模板化過(guò)程形成，在此過(guò)程中飲料配方中的酸和聚電解質(zhì)鹽作出了一些貢獻(xiàn)。該策略涵蓋各種常見(jiàn)喝的碳酸飲料，如可口可樂(lè)，百事可樂(lè)，Dr. Pepper和芬達(dá)。應(yīng)用于超級(jí)電容器，在1000mV s-1下這些碳材料也具有良好的比電容57.2-185.7 F g-1。
Pengfei Zhang, Zhiyong Zhang, Jihua Chen,Sheng Dai, Ultrahigh surface area carbon from carbonated beverages: Combining self-templating process and in situ activation, Carbon, 2015.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622315004169
木霉孢子
浙江大學(xué)夏新輝課題組報(bào)道了通過(guò)“木霉生物反應(yīng)器”和退火過(guò)程制備了具有碗狀結(jié)構(gòu)的新型N，P-共摻雜的木霉孢子碳（TSC）。此外，將導(dǎo)電碳化鈮（NbC）以納米顆粒的形式原位注入TSC基質(zhì)中，形成高度多孔的TSC/NbC材料，其中NbC顯示出與TSC優(yōu)異的相容性，不僅在TSC中形成孔，還具有增強(qiáng)導(dǎo)電性和與多硫化物化學(xué)吸附的多重作用。此外，該課題組還提出NbC的孔形成機(jī)理與碳熱反應(yīng)有關(guān)。硫可以很好地容納在TSC/NbC宿主中，形成高性能的TSC/NbC-S正極。由于具有多孔導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，TSC中的N、P極性位點(diǎn)和極性導(dǎo)電NbC的協(xié)同作用為增強(qiáng)多硫化物的物理吸附和化學(xué)吸附提供了新的機(jī)會(huì)，從而提高了容量和倍率性能。該復(fù)合材料展示出高比容量810 mAh g-1（5 C）和穩(wěn)定的循環(huán)壽命（在0.1 C下500次循環(huán)后為937.9mAh g-1）。
ShenghuiShen, Xinhui Xia, Yu Zhong, Shengjue Deng, Dong Xie, Bo Liu, Yan Zhang,Guoxiang Pan, Xiuli Wang, Jiangping Tu. Implanting Niobium Carbide into Trichoderma Spore Carbon: a New Advanced Host for Sulfur Cathodes. Advanced Materials, 2019.
DOI: 10.1002/adma.201900009
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201900009
細(xì)菌纖維素
細(xì)菌纖維素（BC）可通過(guò)培養(yǎng)細(xì)菌大規(guī)模可持續(xù)地合成制備，BC含有超細(xì)納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。美國(guó)東北大學(xué)Hongli Zhu課題組報(bào)道了一種可壓縮且分級(jí)的多孔碳納米纖維泡沫（CNFF），作為鉀離子電池（PIB）負(fù)極材料，該泡沫來(lái)自豐富的生物材料-BC的熱解。研究人員定量分析了CNFF中電容和擴(kuò)散控制的電荷存儲(chǔ)貢獻(xiàn)。具有分級(jí)多孔3D結(jié)構(gòu)的CNNF自支撐電極在循環(huán)測(cè)試中表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率和循環(huán)穩(wěn)定性。
HongyanLi, Zheng Cheng, Qing Zhang, Avi Natan, Yang Yang, Daxian Cao, HongliZhu, Bacterial-Derived, Compressible and Hierarchical Porous Carbon forHigh Performance Potassium-ion Batteries[J], Nano Letters, 2018.
DOI:10.1021/acs.nanolett.8b03845
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b03845
枯草芽孢桿菌
加州大學(xué)段鑲鋒團(tuán)隊(duì)和湖南大學(xué)魯兵安、楊紅官團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種具有三重保護(hù)策略的分層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，即石墨烯、有機(jī)導(dǎo)體PEDOT和N、P共摻雜的生物碳來(lái)封裝硫物質(zhì)（GOC@NPBCS）。首先以簡(jiǎn)易且通用的生物模板--革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌--枯草芽孢桿菌（GBBS）作為模板和碳源--合成N、P共摻雜生物碳（NPBC），然后用有機(jī)導(dǎo)體PEDOT和石墨烯（GOC@NPBCS）涂覆生物碳包封的硫。
理論計(jì)算表明，與純碳相比，Li2Sx在N、P共摻雜碳表面上的吸附能顯著增加（~112-3,506％）。源自天然細(xì)菌衍生的生物碳具有固有的N、P共摻雜，該生物碳對(duì)多硫化鋰的吸附大大增加，從而降低穿梭效應(yīng)。這種獨(dú)特的分層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料通過(guò)生物碳、石墨烯和PEDOT的分級(jí)三重保護(hù)策略，可有效地固定硫，最大限度地減少多硫化鋰的穿梭效應(yīng)，提高導(dǎo)電性，并提供足夠的內(nèi)部空隙空間以適應(yīng)體積變化和機(jī)械應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的Li-S電池性能。這些協(xié)同效應(yīng)使得所述GOC@NPBCS正極展示出異常優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（在5C下1000次循環(huán)中每圈循環(huán)容量衰減為0.045％），高比容量（0.5C 下1193.8 mAh g-1）和優(yōu)異的倍率性能。
TaoWang, Jian Zhu, Zengxi Wei, Hongguan Yang, Zhaolin Ma, Ruifang Ma, Jian Zhou,Yuhua Yang, Lele Peng, Huilong Fei, Bingan Lu, Xiangfeng Duan, Bacteria Derived Biological Carbon Building Robust Li-S Batteries. Nano Letters, 2019.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b00996
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b00996
當(dāng)然，不單單在超級(jí)電容器、電池領(lǐng)域，生物質(zhì)中所含的除C之外的其它元素可作為制備碳納米材料的催化劑。例如，F(xiàn)e是常用的制備碳納米材料的催化劑，同時(shí)Fe也是生物質(zhì)中普遍存在的元素，于是，有研究者就利用棕櫚仁殼、椰子和麥秸制備的含F(xiàn)e活性炭為催化劑。除了Fe之外，Ca、Mg、Si、Al、Na、K等元素都可以作為催化劑，促進(jìn)碳納米材料的生成。想對(duì)此多了解的話，相關(guān)的綜述可以好好看看。
看完這些，有沒(méi)有想把身邊所見(jiàn)的東西都拿去燒一燒的沖動(dòng)，科研中，idea和try一個(gè)都不能少哦。我們下期再見(jiàn)~
