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马方伟副教授简介

马方伟，博士，硕士生导师，黑龙江大学副教授。主要研究方向为功能性多孔碳材料的设计与合成、超级电容器用电极材料的设计、氮气电化学还原催化剂的设计。近年来，主持国家自然科学基金1项，省自然基金1项，博士后科研启动基金1项；以主要参与人完成国家自然科学基金2项，省自然基金2项；发表高水平SCI论文13篇，其中IF > 5 的9篇，主要发表在Energy Storage Mater., J. Mater. Chem. A, Chem. Commun., Chem. Eng. J., Electrochim. ACta, J. Colloid Interface Sci. 等国际著名期刊上；获授权中国发明专利4项。

本文选取马方伟副教授课题组近四年来在碳基超级电容器领域的相关文章来介绍马方伟副教授的主要研究工作。

（一）生物质基碳

超级电容器，作为一种新兴的能源储存装置，具有功率密度高、循环寿命长、快速充放电等优点，近年来获得广泛关注。可再生性的废弃生物质以其成本低廉、原料丰富、绿色可循环等优点成为制备超级电容器电极材料的优先选择。

（1）玉米皮基多孔碳材料

马方伟副教授课题组于2015年发表在Journal of Materials Chemistry A（J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 18154）的工作利用玉米皮为碳源，通过简单KOH处理制备了三维框架多级孔碳材料。作为超级电容器电极材料，在在两电极系统中，电流密度为1 A g-1时比电容可达260 F g-1，当电流密度为10 A g-1时，比电容为228 F g-1，保留率为88%。

图1. 玉米皮基多级孔碳材料制备过程示意图

（2）果胶基多孔碳材料

2016年该课题组尝试提取柚子皮中的果胶，以氧化镁为模板，KOH为活化剂，制备了具有三维纳米结构的多孔碳材料（HPGC0.6-700）（Chem. Commun., 2016, 52, 6673）。阴离子果胶高分子与二价镁离子之间存在较强的电荷作用力，且衍生的MgO扮演着双重角色：较大的MgO微粒作为模板制造连通的大孔（孔径为70~100 nm），小的MgO晶体作为石墨化催化剂用于产生直径为10~20 nm石墨壳。基于分级的多孔结构，HPGC0.6-700具有优秀的电化学性能，在以6 M KOH 为电解液的双电极体系中，电流密度为1 A g-1时，比电容为234 F g-1。

图6. 原位模板耦合KOH活化法沥青基多孔炭的合成过程

（4）花状模板耦合原位涂覆法制备三维多孔碳纳米笼网络

该课题组最近对沥青基碳的研究有了新进展，通过纳米涂覆碳前驱体与原位MgO模板碳化耦合KOH活化制备了三维碳纳米笼网络。该材料具有互联三维网络结构、交联碳纳米笼(15-24 nm大小、2.5-3 nm壳厚)、高比表面积(1470-1927 m2 g-1)、多尺度孔隙(宏/中/微孔)、均匀孔隙分布等特点。上述结构的多重协同效应促使三维碳纳米笼网络呈现出非常优秀的电化学性能（380 F g-1 at 1 A g-1）（Energy Storage Mater., 2018, 13, 57–65）。

图7. 三维碳纳米网络的制备及电容性能