《Separation and Purification Technology》：Highly graphitized porous biomass carbon for high-performance desalination in capacitive deionization
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生物质废料经高锰酸钾活化及单步热解制备出高石墨化多孔碳材料PE-800，其比表面积达312.74 m2/g，电容性能达106.57 F/g，展现出优异的电容去离子（CDI）脱盐效率（99.09 mg/g）和长循环稳定性（90%容量保持率）。
Xiumin Zhong|Xiaochen Zhang|Liqing Li|Jinghua Zhao|Fei Yu|Jie Ma
江西科学技术大学化学与化学工程学院，中国赣州341000
摘要
在不进行复合处理的情况下，同时提高电容去离子（CDI）碳基电极的离子传输能力和电子导电性仍然具有挑战性。本文报道了一种将沼气浆液（BS）转化为石墨化多孔碳（PE-x，其中x表示碳化温度）的简单方法。该方法包括使用钾铁酸盐（K2FeO4）对BS进行水热预处理，然后进行一步热解。K2FeO4同时充当活化剂和石墨化催化剂，从而实现碳网络的孔结构形成和有序排列。与传统的两步工艺相比，这种一步法高效、省时且环保。优化后的样品PE-800具有312.74?m2?g?1的比表面积，富含中孔，并表现出高度的石墨化程度。在电化学性能方面，PE-800在5?mV?s?1?1?1，速率为3.30?mg?g?1?min?1，并且在50次循环后仍保持约90%的电容。这一策略为将生物质废弃物转化为高价值CDI电极提供了经济可行的途径。
引言
随着对淡水需求的不断增长和水资源日益稀缺，开发高性能脱盐技术成为确保淡水供应的有希望的策略[1,2]。与传统技术（如电渗析、反渗透、多级闪蒸和多级蒸馏）相比，电容去离子（CDI）因成本低、能源效率高和环保而受到广泛关注[[3], [4], [5], [6]]。在这些方法中，电极材料对CDI的性能起着关键作用。具有高比表面积（SSA）、合适孔结构和良好导电性的碳基电极被认为是CDI的理想选择[[8], [9], [10], [11]]。较大的表面积和连通的孔结构提供了更多的离子传输通道，缩短了离子传输路径；高导电性有助于快速电子传输，而增加石墨化程度通常用于进一步提高导电性[12,13]。因此，石墨化多孔碳是高性能CDI电极的理想候选材料，因为它们结合了高效的离子传输和快速的电子传输[14]。
合成石墨化多孔碳的常见方法包括模板法、化学物理活化结合催化石墨化或高温热处理[15,16]。其中，高温热处理通常要求碳材料在超过2500?°C的温度下进行石墨化改进[17,18]，这不仅实验条件苛刻且能耗高，还会破坏材料的孔结构[19,20]。研究表明，使用铁（Fe）、钴（Co）和镍（Ni）等过渡金属作为催化剂可以有效地降低碳材料的石墨化温度，从而在相对温和的条件下实现高度石墨化（<1000?°C）[[21], [22], [23], [24]]。目前，大多数石墨化多孔碳材料仍采用两步法制备[25,26]，即首先使用氢氧化物或ZnCl2活化前体并构建丰富的孔结构，然后使用过渡金属硝酸盐或氯化物作为石墨化催化剂进行高温碳化[[27], [28], [29]]。尽管这种方法可以有效调控材料的孔结构和石墨化程度，但过程较为复杂。此外，某些试剂具有毒性且对环境不友好，限制了其大规模应用。
为了解决这些挑战，我们开发了一种简单的一步法，直接使用沼气浆液（BS）作为碳源和水解介质。BS中的水分解钾铁酸盐（K2FeO4），后者同时作为活化剂和石墨化催化剂，生成高度石墨化的多孔生物质碳（PE-x）。由此产生的微/中孔结构更有序，缩短了离子传输路径并提高了电子导电性，从而提升了电化学性能。温度优化表明，PE-800（800?°C）具有最佳的结构，比表面积最大，具体表现为在5?mV?s?1?1?1
部分内容摘录
材料表征
PE-x的合成过程如图1a所示。首先，将沼气浆液（BS，其来源和成分见补充信息）与钾铁酸盐（K2FeO4）混合，并进行水热处理，其中BS中的水分作为反应介质。在此过程中，K2FeO4水解/氧化生成KOH和Fe(OH)3，同时释放氧气（4K2FeO4?+?10H2O?→?8KOH?+?4Fe(OH)3?+?3O2）。在加热（≤700?°C）过程中，KOH生成金属K并插入碳层中
结论
通过钾铁酸盐介导的一步法，将沼气浆液转化为用于CDI的石墨化多孔碳，实现了原位激活和石墨化过程的结合。最佳样品PE-800的比表面积为312.74?m2?g?1?1?1
CRediT作者贡献声明
Xiumin Zhong：撰写 – 原稿撰写、方法论设计、实验研究。Xiaochen Zhang：撰写 – 原稿撰写、方法论设计、实验研究。Liqing Li：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计、实验研究。Jinghua Zhao：指导、实验研究、资金申请、数据管理。Fei Yu：撰写 – 审稿与编辑、概念构思。Jie Ma：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、方法论设计、实验研究、资金申请。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号22276137）、喀什大学创新研究团队计划、江西省双千计划项目、江西省高水平高层次人才培训项目以及江西省功能性晶体材料化学重点实验室（编号20212BCD42018）的支持。我们感谢匿名审稿人对本手稿的宝贵意见，这些意见有助于提升论文质量。
