基于柑橘果渣模板化多孔生物炭@H3PO4活化正极的锌离子混合超级电容器研究

本研究创新性地利用甜柠檬(Citrus limetta)果渣为生物质原料，通过CTAB软模板法和H3PO4化学活化双重修饰，开发出具有分级多孔结构的CL@CTAB@H3PO4_850°C正极材料。该材料在锌离子混合超级电容器(ZIHSC)中展现出321.66 Wh Kg-1的超高能量密度和10,000次循环稳定性，为农业废弃物高值化利用和绿色储能技术提供了新思路。

　　

随着电动汽车和便携式设备的快速发展，传统锂离子电池面临着安全性差、锂资源稀缺等挑战，而超级电容器又受限于能量密度低的瓶颈。锌离子混合超级电容器(ZIHSC)因其结合了电池的高能量密度和超级电容器的快速充放电特性，成为储能领域的新宠。然而，阴极材料的性能不足仍是制约其发展的关键因素。在此背景下，Manisha Gautam团队创新性地将目光投向了日常生活中常见的甜柠檬(Citrus limetta)果渣，通过巧妙的材料设计，开发出高性能生物质碳正极材料。

研究团队采用CTAB软模板法和H₃PO₄化学活化相结合的创新工艺，首先对甜柠檬果渣进行水热预处理和850°C高温热解，再通过磷酸浸渍活化，成功构建了具有分级孔道结构的CL@CTAB@H₃PO₄850°C材料。研究通过拉曼光谱、BET比表面积测试、扫描电镜等表征手段系统分析了材料特性，并组装成Zn//2M ZnSO₄//CL@CTAB@H₃PO₄850°C器件进行电化学性能测试。

材料分析

拉曼光谱显示材料具有典型的D带和G带，Ip/Ig比值升高证实活化过程引入了更多缺陷位点。FTIR谱图中1080-1114 cm^-1处的特征峰证实了磷酸基团的成功掺杂。BET测试表明双活化样品比表面积高达1132.81 m² g^-1，是原始生物炭的30倍。扫描电镜图像清晰展示了材料从原始生物炭的致密结构到最终产品的三维多孔网络演变过程。

电化学性能

循环伏安测试显示CL@CTAB@H₃PO₄_850°C电极在0.1 A g^-1电流密度下比电容达904 F g^-1。恒流充放电曲线证实其具有优异的倍率性能，在1 A g^-1下仍保持58%容量。最引人注目的是其能量密度达到321.66 Wh Kg^-1，远超多数文献报道值。电化学阻抗谱显示该材料具有最低的电荷转移电阻(322.9 Ω)，表明其优异的电荷传输性能。

长期稳定性

经过10,000次循环测试，H₃PO₄活化样品保持80%初始容量，库伦效率稳定在97-99%之间。自放电测试显示其24小时后仍保持85.5%的电压，证实了材料结构的稳定性。

这项发表于《iScience》的研究通过农业废弃物资源化利用，不仅解决了生物质处理的环境问题，更开发出性能优异的储能材料。其创新的双活化策略为设计高性能碳材料提供了新思路，分级多孔结构的设计理念也可推广至其他储能体系。特别是该研究实现了储能性能与可持续性的完美结合，为绿色能源技术的发展做出了重要贡献。未来研究可进一步优化活化工艺，探索工业化放大生产的可行性，推动该技术走向实际应用。