中科院山西煤化所陈成猛团队JEC：对马来酸酐诱导酯化淀粉的热化学演变机制见解以构筑硬碳微球用于锂离子电池

1. 引言

生物质作为一种低成本，环境友好，可再生的资源，近年来得到了广泛的研究关注。受其结构和形貌的多样性所吸引，大量生物质前驱体被用来制备碳材料，应用在诸多领域，如碱金属离子电池，超级电容器，油/水分离，以及催化剂等等。为了获得具有预期结构和性能的碳材料，实现生物质热解过程中的可控转化至关重要。然而，由于生物质的成分复杂，理解和阐明热解过程中的化学演变机制仍然存在挑战。

2. 成果简介

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛研究员（通讯作者）等人选择具有典型多糖结构和天然的球形形貌的淀粉为原料，马来酸酐为酯化剂，通过简易绿色的干法酯化反应对淀粉分子进行改性修饰。修饰后的淀粉有效避免了淀粉直接碳化时热定性差，结构熔融发泡等问题。经过高温热处理，保持了淀粉的天然球形形貌，并显著提高了碳收率，实现了淀粉基硬碳微球的可控制备。作者通过TG-MS, In-situ FTIR, ¹³C NMR, ex-situ XRD 等表征系统的研究了酯基的接枝对淀粉热解行为的影响，提出了酯化淀粉的热化学演变机制。随后，作者进一步分析了酯基接枝对所制备碳材料微观结构的影响，探索了作为锂离子电池负极时的电化学性能。结果表明，碳微球与直接碳化获得的泡沫碳相比具有较小的比表面积，更大的层间距，合适的孔径，使其表现出更高的可逆容量，优异的倍率及循环性能。

该成果以题为“Insights into the thermochemical evolution of maleic anhydride-initiated esterified starch to construct hard carbon microspheres for Lithium-ion batteries”在Journal of Energy Chemistry 期刊发表，文章第一作者为中国科学院山西煤炭化学研究所研究生宋明信。

3. 图文导读

图1. (a) 淀粉基碳微球和泡沫碳的制备流程示意图。SEM (b, f) 原始淀粉(PS)，(c, g) 酯化淀粉(MES), (d, h) MES600, (e, i) PS600。插图 (f-h) 粒径分析，(i) PS600数码照片。

图2. (a) TG-DTG，(b, c) MS，In-situ FTIR (d-f) PS600和 (g-i) MES600。

图3. (a) XPS，(b, c) C1s拟合结果，(d, e) ¹³C NMR, (f) ex-situ XRD

图4. 酯化淀粉热化学演变机制

图5. TEM (a) PS600, (b) MES600；(c) XRD，(d) Raman，(e) N₂ 等温吸脱附曲线，(f) 孔径分布。

图6. (a) 首圈GCD，(b) CV，(c) 倍率性能，(d) 循环性能，(e) 电化学阻抗谱

4. 小结

该研究通过简易绿色的干法酯化改性，抑制了淀粉直接热解过程中结构的熔融发泡，维持了天然球形形貌，提高了碳收率，实现了淀粉基硬碳微球的可控制备。通过系统的分析表征，提出了酯化淀粉的热化学演变机制，研究了酯基接枝对碳材料微观结构的影响。所制备的硬碳微球在锂离子电池负极中表现出良好的电化学性能。该工作为生物质的可控热转化提供理论指导，推动生物质资源规模化，高附加值利用。

5. 文献连接

Insights into the thermochemical evolution of maleic anhydride-initiated esterified starch to construct hard carbon microspheres for Lithium-ion batteries

DOI: 10.1016/j.jechem.2021.08.050

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