乙醇提取预处理提升香蕉假茎多孔碳超级电容器电极性能研究

本研究针对香蕉假茎资源化利用不充分的问题，通过乙醇提取单宁酸并联产高性能多孔碳材料，显著提升了生物质衍生碳的比表面积（RBP700达2066.35 m2·g?1）和电化学性能（比电容298.2 F·g?1），为农业废弃物高值化利用和绿色能源存储材料开发提供了新策略。

　　

香蕉是全球产量最高、最受欢迎的水果之一，然而在丰收的背后，却隐藏着一个巨大的资源浪费问题——香蕉采摘后会产生大量的香蕉假茎（BP）。据统计，每收获1吨香蕉，就会产生约3吨的香蕉假茎。这些假茎若得不到妥善处理，不仅造成资源浪费，还可能带来环境污染和病原体滋生的风险。传统上，香蕉假茎通常被制成堆肥或用作动物饲料，但其潜在价值远未被充分挖掘。

随着化石燃料的过度消耗导致资源枯竭和环境污染问题日益严重，开发可再生清洁能源及其存储设备变得至关重要。超级电容器（SCs）作为一种重要的能量存储系统，因其快速充放电能力、优异的功率密度和稳定的循环性能而受到广泛关注。其中，双电层电容器（EDLCs）依靠电极-电解质界面形成的双电荷层存储能量，其电荷存储过程仅涉及电解质离子的物理吸附和解吸，因此具有超长的使用寿命。

碳材料是EDLCs中最常用的电极材料，其电容性能与材料的比表面积和孔结构密切相关。香蕉假茎作为一种富含碳元素的植物生物质，具有丰富的官能团和天然多孔结构，是制备超级电容器用活性炭的理想前体。与此同时，香蕉假茎中还含有具有抗氧化、抗菌特性的天然多酚化合物——单宁酸，这种高价值成分在医药、食品、皮革加工和印染行业有着广泛应用。

以往的研究中，从香蕉假茎提取单宁酸后，剩余的残渣通常被作为滤渣丢弃，其去向和利用价值往往被忽视。这种处理方式不仅没有实现香蕉假茎的完全资源化利用，还可能造成二次污染。值得注意的是，类似于水洗、酸洗等预处理方法，有机溶剂提取也能去除生物质中的游离糖、脂肪以及碱金属和碱土金属（AAEMs）等无机成分，同时降低木质素和半纤维素等无定形成分的含量，从而提高纤维素的相对含量和预处理生物质的结晶度。

正是在这样的背景下，广西大学的研究团队在《Review of Palaeobotany and Palynology》上发表了一项创新性研究，提出了一种全新的技术路线：首先用乙醇从香蕉假茎中提取单宁酸，然后将提取残渣（RBP）转化为生物炭，用于制备超级电容器电极。这种方法不仅实现了单宁酸的高效提取，还使提取残渣得到了高值化利用，最大限度地提高了香蕉假茎的资源利用率。

研究人员采用了几项关键技术方法开展本研究。他们首先对采集自广西大学试验田的香蕉假茎进行乙醇提取单宁酸处理，获得提取残渣（RBP）。通过热重分析（TG-DTG）表征材料的热稳定性，利用扫描电子显微镜（SEM）观察材料形貌，采用氮气吸附-脱附等温线测量比表面积和孔结构，通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析材料晶体结构和石墨化程度。电化学性能测试包括循环伏安法（CV）、恒电流充放电（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）评估电极材料的电容性能和稳定性。

3.1. 材料表征

ICP-MS分析显示，乙醇提取预处理主要去除了香蕉假茎中的Na和K元素，尤其是K元素含量显著降低，而Mg和Ca元素含量基本保持不变。总体而言，预处理过程去除了近一半的AAEMs总量，这为后续生物炭形成更丰富的多孔结构奠定了基础。

SEM图像显示，制备的生物炭主要呈现颗粒状和片状结构。与BP700相比，经过提取预处理后，RBP700的片状结构表面变得更加粗糙，这有利于增加比表面积和活性位点。

氮气吸附-脱附分析结果表明，所有样品的吸附-脱附等温线均属于I型等温线，表明样品中含有大量微孔。通过DFT方法计算的孔径分布显示，所有样品的孔径主要分布在2 nm以下，呈现以微孔为主的结构。特别值得注意的是，RBP700的微孔数量最为丰富，且分布更为连续。

BET和t-plot方法计算的具体参数显示，RBP700的微孔比表面积（2066.35 m²·g^?1）几乎是BP700（1057.10 m²·g^?1）的两倍，微孔体积也从0.49 cm³·g^?1增加到0.84 cm³·g^?1。这一显著差异表明乙醇提取预处理对孔结构产生了重要影响，使得RBP生物炭含有更多微孔。

XRD分析显示，所有样品在2θ = 22°附近出现相对较强的衍射峰，在2θ = 44°附近出现较弱的衍射峰，分别对应石墨碳的（002）和（100）晶面。所有RBP样品在22°处的峰强度显著高于BP700，表明乙醇提取处理提高了RBP样品的结晶度。

拉曼光谱分析显示，所有样品在1350 cm^?1（D带）和1600 cm^?1（G带）处出现特征峰。通过计算D带与G带的强度比（I_D/I_G）发现，RBP700 < BP700，说明乙醇提取预处理有助于增加RBP生物炭中有序碳的含量，促进类石墨结构的形成。

3.2. 电极的电化学性能

循环伏安测试表明，所有电极材料的伏安循环曲线接近矩形，表现出典型的双电层电容行为。同时，曲线上观察到的宽氧化还原峰表明生物炭中存在能够发生氧化还原反应提供电容的官能团。通过b值分析发现，所有电极的b值都接近1，表明表面控制行为占主导地位。RBP700的b值最接近1且高于BP700，表明其表面控制行为的贡献更大，这与其含有更丰富的微孔结构相关。

恒电流充放电测试显示，所有样品的GCD曲线接近等腰三角形，表明电极材料具有良好的电化学可逆性和EDLC特性。在0.5 A·g^?1的电流密度下，RBP700表现出最高的比电容，达到298.2 F·g^?1。当电流密度从0.5 A·g^?1增加到20 A·g^?1时，RBP600、BP700、RBP700和RBP800的电容保持率分别为82.1%、82.0%、78.4%和81.4%。

电化学阻抗谱分析表明，RBP样品的半圆直径显著小于BP700，表明其电荷转移电阻更低，电导率更强。在低频区域，RBP700的曲线最接近90°，表明其具有较好的双电层电容性能。通过Zview软件对Nyquist图进行拟合，结果与上述分析一致。

循环稳定性测试显示，RBP700电极在10 A·g^?1的电流密度下经过10,000次恒电流充放电循环后，仍保持92.6%的初始电容，表现出优异的循环稳定性。

研究结论与意义

本研究成功开发了一种香蕉假茎资源化利用的创新技术路线，通过乙醇提取单宁酸并联产高性能多孔碳材料，实现了农业废弃物的高值化利用。研究结果表明，乙醇提取预处理不仅能够有效提取香蕉假茎中的单宁酸这一高价值成分，还能显著改善后续制备的生物炭材料的结构和性能。

特别重要的是，乙醇提取预处理通过去除AAEMs和无定形成分，促进了生物炭微孔结构的形成和石墨化程度的提高。RBP700样品表现出优异的电化学性能，其高比表面积、丰富的微孔结构和良好的结晶度共同贡献了高达298.2 F·g^?1的比电容和92.6%的循环稳定性。

这项研究的意义在于：一方面为农业废弃物资源化利用提供了新思路，实现了"变废为宝"；另一方面为超级电容器电极材料的开发提供了性能优异、成本低廉的新型碳材料；同时，该研究还深化了对生物质预处理与后续碳材料性能之间关系的理解，为类似研究提供了理论依据和技术参考。

在较低活化温度（600°C和700°C）下，乙醇提取预处理对孔结构的影响更为显著，改善效果明显；而在800°C时，预处理的影响较小，活化剂可能起主导作用。这一发现为不同应用场景下生物炭制备工艺的优化提供了重要指导。

总体而言，这项研究不仅为解决香蕉假茎等农业废弃物的资源化利用问题提供了可行方案，也为高性能超级电容器电极材料的开发开辟了新途径，对推动可持续能源存储技术和循环经济发展具有重要意义。