尿都可以发SCI，还有什么不可以？

星辰

2019-07-24

天生我材必有用，此言非虚也！大自然造化神奇，似乎无物不可入科研。仿生材料及技术的蓬勃发展，便是明证。有鉴于此，我们对利用自然界和生活中常见的生物/物体进行科学研究的案例做了一些汇总，分期进行报道，希望能帮助大家挖掘出新的idea。

第一期：生物质炭

提起生物质衍生材料，碳材料位列第一。做超级电容器的应该对此很了解，最多见的就是拿各种多孔结构的生物材料进行炭化活化。君不见，秸秆麦皮、莲蓬壳荷叶荷叶茎、杏鲍菇蘑菇金针菇木耳海带、各种树叶菜叶树枝/茎、各种花瓣（月季花荷花玫瑰花）、花粉、小草、苔藓、果皮果渣（柚子皮、香蕉皮、甘蔗渣、花生壳）、杨梅、西瓜瓤、羊毛、杨絮、鱼刺、瓜子皮、香烟滤嘴、鸡蛋中的呼吸膜、鸡蛋蛋白、蚕茧、剑麻、可乐、尿液、孢子、细菌等等，烧一烧，都有效，可谓无所不用其极。下面，我们选取部分案例来感受一下研究者们的脑洞~

尿液：一场增值之旅

韩国Jong-Sung Yu团队设计了一种简单的无模板方法，通过使用最丰富的人类废物“尿液”来获得多孔和杂原子掺杂的碳（URC）。研究者发现存在于尿中的矿物盐可以在碳化期间被蒸发，剩余的可以在酸处理期间从所得的碳中蚀刻掉，以在碳骨架中产生大量的微/中孔。因此，使用尿液作为碳前体不需要使用有害的活化剂和模板来进行耗时的额外活化过程。另外，通过调节碳化温度可以控制从尿中获得的碳的电导率。（心理强大的实验，佩服地五体投地。以尿液做原料，牺牲很大。）应用于超级电容器中，研究者发现URC中的杂原子掺杂和表面结构的协同效应。合适的杂原子含量和多孔结构可以增强赝电容和双电层电容，使得URC产生优异的电容。最佳碳电极URC-900 ℃具有高BET表面积（1040.5m² g^-1），良好的导电性和有效的N、S和P杂原子掺杂，在5 A g^-1下5000次循环中仅有1.7％的电容衰减。

Fatemeh Razmjooei, Kiranpal Singh, Tong HyunKang, Nitin Chaudhari, Jinliang Yuan, Jong-Sung Yu, Urine to highly porousheteroatom-doped carbons for supercapacitor: A value added journey for humanwaste, Scientific Reports, 2017.

https://www.nature.com/articles/s41598-017-11229-6

熟米饭发的霉

浙大夏新辉课题组将废弃熟米饭接种米曲霉菌株，发酵后得到米曲霉孢子，900℃热处理后转化为孢子碳(SC)。SC呈现出特殊的凹陷多孔结构，具有粗糙的纹理和皱纹迷宫式的二级结构。由于米曲霉孢子含有蛋白质和含有N，P元素的核酸，因此制备得到的SC带有N和P双掺杂。进一步嵌入Ni₂P纳米颗粒（充当制孔剂）以形成具有更大比表面和增强导电性的高度多孔孢子碳/ Ni₂P复合材料。将该复合材料与硫结合用于锂硫电池正极，具有优异的电化学性能。物理阻挡效应（多孔迷宫结构）和化学吸附效应（N、P双掺杂与极化Ni₂P）的协同作用是抑制多硫化物穿梭的主要因素。

Spore Carbon from Aspergillus Oryzae for Advanced Electrochemical Energy Storage[J],Advanced Materials, 2018.

DOI:10.1002/adma.201805165

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201805165

柚子皮

柚子是一种好吃又降火的水果，它的皮大多归为湿垃圾被扔掉。柚子内皮（WSE）主要由基于纤维素的材料组成，具有丰富的天然杂原子（如N，S，O）。东北大学Shulan Wang、Xuan Liu和Li Li团队将KOH活化和WSE的Co²⁺浸渍结合制备出高度有序的泡沫状分级多孔结构碳材料，其具有大的比表面1265m² g^-1、分层互连多孔结构（微孔、中孔和大孔）以及丰富的杂原子掺杂以增强赝电容的特征。该碳质材料在电流密度为0.2 A g^-1时达到550 F g^-1的电容，在10000次循环后具有97％的保留率。

Song Yang, Shulan Wang, Xuan Liu, Li Li,Biomass derived interconnected hierarchical micro-meso-macro- porous carbonwith ultrahigh capacitance for supercapacitors, Carbon, 2019.

DOI: 10.1016/j.carbon.2019.03.023

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622319302465

杨梅

没错，这里的杨梅正是宋代诗人平可正诗句中“五月杨梅已满林，初疑一颗值千金。”的那个杨梅！（放开那颗杨梅，我要吃~）

温州大学王舜教授课题组的金辉乐、李俊联合美国阿贡实验室陆俊研究员和加拿大温莎大学王继昌教授创新性地利用可再生廉价生物质杨梅为前驱体，制备了Fe/N/S共掺杂的多级孔碳球/片杂化纳米固体（FeSN-C）材料。该材料用于超级电容器中体积比电容为1320.4 F cm^-3，体积比能量221.9 WhL^-1，大电流充放电（80 A g^-1）条件下的循环寿命>10万次。

Xiaomei Dong, Huile Jin, Rongyue Wang,Jingjing Zhang, Xin Feng, Chengzhan Yan, Suqin Chen, Shun Wang, Jichang Wang,Jun Lu, High Volumetric Capacitance, Ultralong Life Supercapacitors Enabled byWaxberry‐Derived Hierarchical Porous Carbon Materials, Advanced EnergyMaterials, 2018.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201702695

海带

中科院煤炭化学研究所Wenzhong Shen团队选择一种富含O和N的海带作为生物质前体，制备出具有多孔结构和亲水表面的蜂窝状多孔碳用作超级电容器的电极材料。丰富的表面化学官能团和较短的电解离子扩散路径赋予海带基蜂窝状多孔碳优异的超级电容器性能，为实际超级电容器应用铺平了道路。孔体积和比表面积达到接近1.0 cm³ g^-1和2000 m²g^-1，并且可以通过海藻与KOH的比例调节空腔厚度。

Jiashi Wang, Fangfang Qin, Zhongya Guo,Wenzhong Shen, Oxygen- and Nitrogen-Enriched Honeycomb-Like Porous Carbon fromLaminaria japonica with Excellent Supercapacitor Performance in AqueousSolution, ACS Sustainable Chem. Eng., 2019.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.9b01448

香烟滤嘴

中国生产的香烟占全世界香烟总产量的40%，生产的香烟90%以上都在国内消费，中国烟民每年消耗的香烟达2万亿支，香烟滤嘴作为垃圾超过80万公吨。滤嘴的主要成分是醋酸纤维素，在自然界无法生物降解。诺丁汉大学RobertMokaya团队以香烟滤嘴为原料，通过水热碳化和后期活化的方法，制备得到的碳材料具有高的比表面积4300 m²g^-1和高的孔容2.09 cm³ g^-1。

Troy Scott Blankenship, Robert Mokaya,Cigarette butt-derived carbons have ultra-high surface area and unprecedented hydrogen storage capacity, Energy Environ. Sci., 2017.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2017/ee/c7ee02616a

西瓜瓤：吃不完的烧一烧

西瓜作为夏季消暑水果，中科大An-Wu Xu和中科院Xiangke Wang团队将西瓜瓤作为碳源（只想吃不想烧），合成出一种简便绿色无模板的海绵状碳质凝胶，获得的3D柔性碳质凝胶（CG）由碳质纳米纤维和纳米球制成，其具有高的化学活性并显示出优异的柔韧性。研究者通过将Fe₃O₄纳米颗粒掺入碳质凝胶网络中合成了碳质凝胶基复合材料，通过煅烧进一步转化为磁铁矿碳气凝胶（MCA）。MCA保持原始CG的多孔结构，在6M KOH溶液中，在-1.0至0V的电位窗内，MCA在1A g^-1下表现出优异的333.1 F g^-1电容，在1000次循环后具有96％的电容保持率。

Xi-Lin Wu, Tao Wen, Hong-Li Guo, Shubin Yang,Xiangke Wang, An-Wu Xu, Biomass-Derived Sponge-like Carbonaceous Hydrogels and Aerogels for Supercapacitors, ACS NANO, 2013.

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn400566d

碳酸饮料：喝不完的碳化下

橡树岭国家实验室Pengfei Zhang和Sheng Dai团队通过将碳酸饮料（CB）进行水热碳化（200℃）和氮气热处理（600-1000℃）得到一系列比表面积高达3633 m² g^-1的碳材料。丰富的内部孔隙度通过自模板化过程形成，在此过程中饮料配方中的酸和聚电解质盐作出了一些贡献。该策略涵盖各种常见喝的碳酸饮料，如可口可乐，百事可乐，Dr. Pepper和芬达。应用于超级电容器，在1000mV s-1下这些碳材料也具有良好的比电容57.2-185.7 F g^-1。

Pengfei Zhang, Zhiyong Zhang, Jihua Chen,Sheng Dai, Ultrahigh surface area carbon from carbonated beverages: Combining self-templating process and in situ activation, Carbon, 2015.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622315004169

木霉孢子

浙江大学夏新辉课题组报道了通过“木霉生物反应器”和退火过程制备了具有碗状结构的新型N，P-共掺杂的木霉孢子碳（TSC）。此外，将导电碳化铌（NbC）以纳米颗粒的形式原位注入TSC基质中，形成高度多孔的TSC/NbC材料，其中NbC显示出与TSC优异的相容性，不仅在TSC中形成孔，还具有增强导电性和与多硫化物化学吸附的多重作用。此外，该课题组还提出NbC的孔形成机理与碳热反应有关。硫可以很好地容纳在TSC/NbC宿主中，形成高性能的TSC/NbC-S正极。由于具有多孔导电结构，TSC中的N、P极性位点和极性导电NbC的协同作用为增强多硫化物的物理吸附和化学吸附提供了新的机会，从而提高了容量和倍率性能。该复合材料展示出高比容量810 mAh g^-1（5 C）和稳定的循环寿命（在0.1 C下500次循环后为937.9mAh g^-1）。

ShenghuiShen, Xinhui Xia, Yu Zhong, Shengjue Deng, Dong Xie, Bo Liu, Yan Zhang,Guoxiang Pan, Xiuli Wang, Jiangping Tu. Implanting Niobium Carbide into Trichoderma Spore Carbon: a New Advanced Host for Sulfur Cathodes. Advanced Materials, 2019.

DOI: 10.1002/adma.201900009

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201900009

细菌纤维素

细菌纤维素（BC）可通过培养细菌大规模可持续地合成制备，BC含有超细纳米纤维网状结构。美国东北大学Hongli Zhu课题组报道了一种可压缩且分级的多孔碳纳米纤维泡沫（CNFF），作为钾离子电池（PIB）负极材料，该泡沫来自丰富的生物材料-BC的热解。研究人员定量分析了CNFF中电容和扩散控制的电荷存储贡献。具有分级多孔3D结构的CNNF自支撑电极在循环测试中表现出优异的倍率和循环稳定性。

HongyanLi, Zheng Cheng, Qing Zhang, Avi Natan, Yang Yang, Daxian Cao, HongliZhu, Bacterial-Derived, Compressible and Hierarchical Porous Carbon forHigh Performance Potassium-ion Batteries[J], Nano Letters, 2018.

DOI:10.1021/acs.nanolett.8b03845

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b03845

枯草芽孢杆菌

加州大学段镶锋团队和湖南大学鲁兵安、杨红官团队开发了一种具有三重保护策略的分层结构复合材料，即石墨烯、有机导体PEDOT和N、P共掺杂的生物碳来封装硫物质（GOC@NPBCS）。首先以简易且通用的生物模板--革兰氏阳性细菌--枯草芽孢杆菌（GBBS）作为模板和碳源--合成N、P共掺杂生物碳（NPBC），然后用有机导体PEDOT和石墨烯（GOC@NPBCS）涂覆生物碳包封的硫。

理论计算表明，与纯碳相比，Li₂S_x在N、P共掺杂碳表面上的吸附能显著增加（~112-3,506％）。源自天然细菌衍生的生物碳具有固有的N、P共掺杂，该生物碳对多硫化锂的吸附大大增加，从而降低穿梭效应。这种独特的分层结构复合材料通过生物碳、石墨烯和PEDOT的分级三重保护策略，可有效地固定硫，最大限度地减少多硫化锂的穿梭效应，提高导电性，并提供足够的内部空隙空间以适应体积变化和机械应力，从而实现优异的Li-S电池性能。这些协同效应使得所述GOC@NPBCS正极展示出异常优异的循环稳定性（在5C下1000次循环中每圈循环容量衰减为0.045％），高比容量（0.5C 下1193.8 mAh g^-1）和优异的倍率性能。

TaoWang, Jian Zhu, Zengxi Wei, Hongguan Yang, Zhaolin Ma, Ruifang Ma, Jian Zhou,Yuhua Yang, Lele Peng, Huilong Fei, Bingan Lu, Xiangfeng Duan, Bacteria Derived Biological Carbon Building Robust Li-S Batteries. Nano Letters, 2019.

DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b00996

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b00996

当然，不单单在超级电容器、电池领域，生物质中所含的除C之外的其它元素可作为制备碳纳米材料的催化剂。例如，Fe是常用的制备碳纳米材料的催化剂，同时Fe也是生物质中普遍存在的元素，于是，有研究者就利用棕榈仁壳、椰子和麦秸制备的含Fe活性炭为催化剂。除了Fe之外，Ca、Mg、Si、Al、Na、K等元素都可以作为催化剂，促进碳纳米材料的生成。想对此多了解的话，相关的综述可以好好看看。

看完这些，有没有想把身边所见的东西都拿去烧一烧的冲动，科研中，idea和try一个都不能少哦。我们下期再见~