近日，中国农业大学理学院应用物理系罗炳程教授团队在《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal）上发表了综述论文《可持续生物质衍生碳气凝胶在储能应用中的潜力》（Sustainable Biomass-Derived Carbon Aerogels for Energy Storage Applications），这篇文章详细讨论了作为环保储能材料的生物质衍生碳气凝胶的应用前景，并提出了一个为期十年的发展蓝图。这项研究不仅开辟了深度利用生物质资源的新方向，也为推动全球能源转换和达成“双碳”（碳达峰、碳中和）目标提供了新的思路。
可持续生物质碳气凝胶的储能应用
碳气凝胶由于其超低密度、高孔隙率以及优良的导电性能，在超级电容器、二次电池和电催化等领域有着广泛的应用。不过，传统的碳气凝胶生产依赖于不可再生资源，且制备过程繁琐、成本高昂，这限制了它们的大规模商业化应用。因此，具有丰富性、可再生性和环境友好性的生物质成为了实现碳气凝胶绿色转型的理想替代品。
生物质气凝胶的可持续性、优势及其在储能中的巨大潜力
该研究深入探讨了生物质衍生碳气凝胶的关键特性，如微观结构、导电能力和化学稳定性，这些特性对于提高储能应用的效率至关重要。实验结果显示，这种新型材料在超级电容器和金属离子电池中表现出色，展现了其在储能方面的巨大潜力。此外，该研究还探讨了不同类型的生物质原料作为前驱体的可能性，为材料性能的优化提供了参考。
当前挑战与未来前景
尽管生物质碳气凝胶在绿色储能方面显示出了广阔的应用前景，但在产业化的道路上仍需克服一些挑战，例如原材料利用率不高、产品稳定性和制备时间较长等问题。为了实现商业应用，未来的研究需要集中在改进制备技术、优化结构设计与功能化，同时探索降低能耗的制备方法以减少成本。该团队规划了一个十年的发展框架，旨在促进生物质碳气凝胶在储能领域的大规模应用。随着技术的进步，预计这一材料将在未来十年内完成从实验室到市场的转变，成为绿色储能解决方案的重要组成部分。
生物质基碳气凝胶和其他类型碳气凝胶的技术成熟度（TRLs）
在全球追求“碳中和”的背景下，生物质碳气凝胶为储能提供了一种可持续发展的新路径。研究团队希望，随着对绿色能源材料需求的增长，生物质碳气凝胶将成为绿色储能技术的核心。通过持续的技术创新和发展，这种材料有望为实现“净零排放”提供坚实的支持。本研究呼吁更多科研人员和业界的关注，共同推进生物质碳气凝胶的发展和实际应用。
生物质基碳气凝胶未来十年关键研究参数甘特图
中国农业大学为第一完成单位，理学院博士研究生李梦阳为论文第一作者，罗炳程教授等为本文的通讯作者。
此外，中国农业大学理学院应用物理系罗炳程教授等人还在能量转换材料研究方面取得新进展，在《先进科学》（Advanced Science）上在线发表研究论文《全无机无铅钙钛矿材料Rb3Mo2Br9和Rb3Mo2Cl9的光伏应用预测》（A Prediction of All-Inorganic Lead-Free Halide Perovskites for Photovoltaic Application: Rb3Mo2Br9和Rb3Mo2Cl9）。该研究预示了这两种新材料可能成为传统含铅钙钛矿太阳能电池的环保替代品，对促进光伏行业的绿色可持续发展具有重要意义。
鉴于铅基有机-无机杂化钙钛矿虽具备出色的能量转换效率，但其铅毒性和有机成分稳定性的问题限制了实际应用，罗教授团队致力于开发更优的全无机且不含铅的卤化物钙钛矿以扩大光伏技术的应用范围。通过密度泛函理论计算，本研究深入探讨了两种层状钙钛矿衍生物Rb3Mo2Cl9和Rb3Mo2Br9，揭示了它们的组成、结构与性能之间的关系。
图1：Rb3Mo2Br9和Rb3Mo2Cl9的晶体结构
能带结构表明，Rb3Mo2Cl9的带隙为1.78 eV，适合作为补充材料与低带隙太阳能电池组合使用，相比之下，Rb3Mo2Br9具有1.60 eV的带隙，是理想的光伏器件候选材料。态密度分析显示，钼（Mo）原子在这两种材料的电子轨道中扮演了重要角色，特别是在Rb3Mo2Cl9的情况下发挥了特别关键的作用。
图2：Rb3Mo2Cl9和Rb3Mo2Br9的电荷密度和禁带宽带对比
从光学性质来看，这两种材料在可见光和紫外光谱范围内均展示了强大的光吸收能力，其中Rb3Mo2Cl9表现出更有利的吸收系数。同时，通过太阳能光电转换效率（SLME）分析预测，二者都具备成为高效太阳能电池材料的巨大潜力。
图3：Rb3Mo2Cl9和Rb3Mo2Br9的光学性能
通过采用无铅策略创新性地设计钙钛矿材料，本研究旨在减少有毒元素对环境的影响，从而拓展这些材料在可持续能源技术中的应用。这项工作不仅证实了Rb3Mo2Cl9和Rb3Mo2Br9这两种无铅化合物具有优良的光伏性能，还为未来无铅无机钙钛矿的研究与开发提供了坚实的理论依据，为实现更加绿色、可持续的太阳能电池技术铺平了道路，并有望在全球能源转型和环境保护方面产生深远影响。
中国农业大学为第一完成单位，罗炳程教授为通讯作者，本研究工作得到了中国农业大学校级高性能计算平台的支持。
罗炳程教授在新型信息功能材料和器件的开发及其在农业和能源领域的应用方面取得了一系列创新成果，并在《自然·通讯》(Nature Communications)、《美国科学院院刊》(PNAS)等期刊发表90余篇论文。
