利用甘蔗渣制备可持续分级多孔碳用于高性能锌离子混合超级电容器的研究

本研究针对锌离子混合超级电容器(ZIHSCs)对可持续高性能电极材料的迫切需求，创新性地采用氧化镁模板法对甘蔗渣衍生活性碳进行结构改性，成功制备出兼具高度多孔性和有序碳框架的阴极材料。该改性材料展现出482 F/g的优异比电容和80%的循环稳定性，为农业废弃物资源化利用和高性能储能器件开发提供了新策略。

　　

随着全球能源消耗的持续增长和环境问题的日益严峻，开发可靠且可再生的能源存储解决方案变得至关重要。锌离子混合超级电容器(Zinc-Ion Hybrid Supercapacitors, ZIHSCs)作为新兴储能器件，巧妙地将锌阳极的优势与超级电容器的特点相结合，展现出成本低廉、安全性高以及能量密度和功率密度俱佳的特点，成为下一代储能技术的有力竞争者。然而，ZIHSCs的性能在很大程度上依赖于阴极材料，其中碳基材料特别是活性碳(Activated Carbon, AC)因其优异的导电性、化学稳定性和可调控的孔结构而被广泛应用。尽管生物质衍生活性碳具有比表面积大（可达3000 m²/g）、成本低、易加工和环境友好等优势，但其孔结构分布与锌离子的传输动力学不匹配，导致离子吸附/脱附过程与锌阳极的Zn²⁺沉积/剥离行为不同步，造成系统容量远低于理论值。因此，如何精准调控碳材料的孔结构和表面化学性质，以提升ZIHSCs的整体性能，成为当前研究的难点和热点。

针对这一挑战，研究人员将目光投向资源丰富、价格低廉的农业废弃物——甘蔗渣。甘蔗渣含有约20%木质素、45%纤维素和25%半纤维素，其天然的微纤维结构为制备多孔碳材料提供了理想前体。印度尼西亚作为甘蔗生产大国，每年甘蔗产量约3.5亿吨，每吨甘蔗可产生180-280公斤甘蔗渣，这为大规模生产碳材料提供了充足的原料保障。然而，传统活化方法制备的活性碳以微孔为主，限制了电解液离子的快速传输，降低了器件效率。

为此，研究团队创新性地采用氧化镁(MgO)作为模板剂，通过简单的热解和酸洗过程，成功将部分微孔转化为介孔，构建了更为开放和互联的孔道网络。这一结构优化不仅显著提升了材料的比表面积，还增强了碳框架的有序度，从而实现了离子扩散速率和电子传导性的协同提升。

本研究发表在《Biomass and Bioenergy》期刊上，为了系统评估改性甘蔗渣活性碳(Modified Sugarcane Bagasse-derived Activated Carbon, SAC)的性能，研究人员综合运用了多种技术手段：首先通过X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)分析了材料的晶体结构和有序度；采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)和高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)观察了材料的形貌和微观结构；利用氮气吸附-脱附等温线(BET)定量表征了材料的比表面积和孔径分布；最后通过循环伏安法(CV)、电化学阻抗谱(EIS)和恒电流充放电(GCD)等电化学测试技术全面评估了材料在ZIHSCs中的性能表现。

研究结果方面，材料表征显示：XRD分析表明改性SAC在2θ≈22°和44°处出现石墨的(002)和(101)晶面衍射峰，且半峰宽减小至6.3°，表明材料有序度提高。拉曼光谱显示改性SAC的I_D/I_G值为0.79，低于普通SAC的0.96，进一步证实了其石墨化程度的提升。FESEM图像清晰展示了改性SAC中大量开放的孔结构，而BET分析表明其比表面积达到762 m² g^-1，孔径分布中介孔比例高达62%，远高于普通SAC的24%。HR-TEM分析甚至观察到了0.41 nm的晶格间距，对应石墨的(101)晶面，证实了局部石墨化的存在。

电化学性能测试结果更为引人注目：在10 mV/s的扫描速率下，改性SAC基ZIHSCs的循环伏安曲线显示出最大的闭合面积，表明其具有最高的比容量和能量密度。电化学阻抗谱显示该系统的电荷转移电阻仅为4.28 mΩ g，远低于普通SAC系统的12.12 mΩ g。恒电流充放电测试表明，在1 A/g的电流密度下，改性SAC系统实现了482 F/g的比电容和268 mAh/g的比容量，对应能量密度高达175 Wh/kg。即使在10 A/g的高电流密度下，仍保持286 F/g的比电容和108 Wh/kg的能量密度，表现出优异的倍率性能。

机理研究表明，改性SAC基ZIHSCs的成功主要归功于其独特的结构优势：高度发达的介孔网络为锌离子提供了快速传输通道，而局部石墨化的碳框架则确保了良好的电子传导性。 Dunn方法分析显示，该系统的能量存储机制在正负扫描方向上的贡献率差异仅为0.9-1.3%，表明其具有高度可逆的混合储能机制（电容性和扩散性行为相结合）。经过1000次循环后，该系统仍能保持80%的初始容量，库仑效率接近100%，展现出出色的循环稳定性。

与先前报道的ZIHSCs技术相比，本研究开发的改性甘蔗渣活性碳基系统在能量密度、功率密度和循环寿命方面均表现出显著优势。其性能不仅优于商业活性碳系统（104 Wh/kg, 0.38 kW/kg），也超过了其他生物质碳材料如麻杆碳（84 Wh/kg, 0.40 kW/kg）和橄榄叶衍生分级多孔碳（64 Wh/kg, 3.16 kW/kg）等系统。

该研究的成功不仅为高性能锌离子混合超级电容器的开发提供了新型电极材料，也为农业废弃物的高值化利用开辟了新途径。通过简单的模板法调控碳材料的孔结构和有序度，实现了离子传输和电子传导的协同优化，这一策略可推广至其他生物质碳材料的制备中。未来研究可进一步探索不同模板剂对碳材料结构的影响，优化制备工艺以降低成本，推动这种可持续能源存储技术向实际应用迈进。