张俐娜：甲壳素与壳聚糖的“相爱相杀”构建高比表面积碳材料

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甲壳素是一种广泛存在于自然界中的高分子材料，是一类非常“顽固”的大分子，极难溶解于普通溶剂（水，有机溶剂，稀酸稀碱）中。壳聚糖是甲壳素脱乙酰化后得到的一类高分子，由于脱乙酰化增加了其分子链上胺基（NH2）的含量，使其可以溶解于部分稀酸中。武汉大学张俐娜院士团队已经开发了一系列碱体系溶剂可以溶解甲壳素和壳聚糖。   

近日，基于上述中甲壳素和壳聚糖可共溶于碱体系但不共溶于酸体系的特殊性质，武汉大学张俐娜课题组构建了甲壳素/壳聚糖复合微球，将其酸溶、碳化后得到一系列具有不同比表面积的多级孔碳球。并且在多孔碳球上进一步负载聚苯胺后将其作为具有高倍率性的超级电容器电极材料。该工作以标题“Distinctive Construction of Chitin Derived Hierarchically Porous Carbon Microspheres/Polyaniline for High Rate Supercapacitors” 发表于知名期刊ACS Applied Materials & Interfaces，共同第一作者是高凌峰博士和熊柳康博士，共同通讯作者是武汉光电国家实验室的黄亮老师和武汉大学的张俐娜教授。

作者将甲壳素和壳聚糖溶解于KOH/LiOH/尿素水溶液，通过乳液法得到纳米纤维编织的甲壳素微球，然后在稀醋酸中将壳聚糖溶出。碳化后得到比表面积提高的多孔碳球，进一步负载聚苯胺后用作超级电容器的电极材料，表现出高倍率性和优异的循环稳定性。

由于甲壳素和壳聚糖在碱溶液体系中的完美相容性，因此在制备得到的甲壳素/壳聚糖复合微球中，甲壳素和壳聚糖的分子链相互缠绕排列成纳米纤维。因此，酸处理去除壳聚糖后，纳米纤维结构变得疏松，并由此形成大量的微孔（<2 nm）和小尺度介孔(2-10 nm)。

将酸溶后的微球高温碳化，得到的多孔碳微球具有明显提高的比表面积和微孔/介孔分布。并且随着壳聚糖溶出量的增加，比表面积和微孔/介孔分布依次提升。

在多孔碳球上进一步原位聚合聚苯胺，聚苯胺纳米粒子均匀的分布在纳米纤维表面，并且负载聚苯胺后碳微球的多孔结构得以保持。

将该多孔碳球/聚苯胺用作超级电容器的电极材料，由此组装的对称超级电容器器件表现出高的倍率性和循环稳定性。这源于多级孔碳球提供了快速的离子扩散通道和足够多的电解液接触位点，使得电极材料在快速充放电过程中依旧可以表现出稳定的电化学性能。

本工作提供了一种完全基于天然高分子的绿色、高效的方法制备具有高比表面积的多孔碳球。为高分子基多孔材料（膜，丝，凝胶，微球）的设计和构建提供了一种新的思路和策略。