神奇！我国科学家用小龙虾壳制备高性能电极材料，性能优势明显

小龙虾是人类最常见的食物来源之一。在传统工艺中，约80%的小龙虾壳会成为废弃物，每年会产生约10万吨小龙虾壳。

一方面，小龙虾壳在自然中随意丢弃或填埋会导致环境污染。另一方面，适当处理这些废物的成本可能很高——例如，在澳大利亚，每吨高达150美元。

值得注意的是,小龙虾壳有一个独特的成分,它包含三个基本的化合物,即蛋白质(20%-30%)、碳酸钙(30%-40%),甲壳素(20%-30%)。此外，还鉴定了一些次要成分，包括脂质、虾青素和其他矿物质。合理利用丰富的小龙虾壳资源越来越受到研究者的关注。

从小龙虾壳中提取有用的化学物质是一种吸引人的环保方法。比如，螯虾壳的主要成分——甲壳素作为淡水小龙虾综合利用的初级产品，已经广泛应用于日化、医药、食品加工等诸多领域。

将小龙虾壳转化为功能性材料，则是实现废物回收利用的另一种方法。近年来，一些学者利用小龙虾壳粉碎和小龙虾壳生物炭去除废水中的重金属离子。结果表明，具有天然特殊结构的螯虾壳粉和螯虾壳生物炭具有较强的重金属离子去除能力。选择合适的物质改性螯虾壳生物炭可以有效提高其吸附能力。此外，基于小龙虾壳的材料结构和功能特性，已经合成了一系列功能材料，可以用来解决全球性的挑战。

近几十年来，小龙虾壳及其衍生物的巨大应用潜力日益受到人们的关注。

在日前发表在国际知名期刊《碳》(Carbon)上的论文中，中国科学技术大学的科学家们带来了螯虾壳分离和应用的最新进展。

该校科研团队采用新方法，将厨余垃圾中的小龙虾壳等合成制备成一种高性能电极材料！变废为宝太神奇！

据悉，中国科学技术大学工程科学学院热科学和能源工程系朱锡锋教授研究团队提出“废弃生物质制备高性能超级电容器电极材料”的新方法，采用农林废弃物热解获得的重质生物油和厨余垃圾中的小龙虾壳，通过简单的合成即可制备高性能超级电容器的电极材料。

（注：小龙虾壳燃料电池形成过程示意图，图源American Chemical Society）

在题为“A review on conversion of crayfish-shell derivatives to functional materials and their environmental applications”的论文中，他们首先介绍了分离螯虾壳主要成分并将其转化为功能性碳基材料的典型方法。并综述了螯虾壳及典型改性螯虾壳生物炭在吸附、抗菌、电化学等方面的应用。

一般来说，螯虾壳中主要含有约20%-30%的甲壳素、30%-40%的蛋白质、30%-40%的碳酸钙，以及脂质、虾青素等矿物质等微量成分(表1)。提取这些成分的方法多种多样。

这项成果主要基于生物模板-碱活化的方法，以小龙虾壳为辅助材料，从重质生物油中成功合成了具有超高比表面积、高孔容和适宜氧原子含量的分层多孔碳。

同时，他们还研究了活化温度对分层多孔碳杂原子含量的影响，并对获得高性能超级电容器电极材料的工艺条件进行了优化。

（图：基于小龙虾壳的PC-Co3O4纳米复合材料制备工艺）

研究显示，与现有电极材料性能相比，朱锡锋教授研究团队所制备的分层多孔碳在超级电容器性能测试中，表现出宽工作电压、高能量密度的明显优势，可用于包括电动汽车在内的诸多应用领域。

碳材料因其大孔径、大表面积和高导电性而被广泛应用于吸附、催化和储能。小龙虾壳转化为碳材料工艺简单，可用于处理大量的小龙虾壳废弃物。到目前为止，小龙虾壳废弃物已被用于制备碳材料，如富钙生物炭、掺杂氮的多孔碳和碳点。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2369969820301134