基于NiCo基碱性碳酸盐和槐树叶片衍生碳材料的复合材料，用于高性能非对称超级电容器

《Synthetic Metals》：Composite material of NiCo-based basic carbonate and Sophora japonica leaf-derived carbon material for high-performance asymmetric supercapacitors

本研究以Sophora japonica叶为原料，通过高温碳化制备碳材料SJC，并利用溶胶热法在其表面生长NiCoBC复合得到NiCoBC@C。电化学测试表明，NiCoBC@C因SJC的高导电性和大比表面积，展现出优异的比电容（65 C/g）、高倍率性能（扫描至100 mV/s仍保持结构）和循环稳定性（10,000次循环后容量保持83.3%），能量密度达14.4 Wh/kg。该策略为低成本超级电容器电极材料开发提供了新途径。

　　这项研究聚焦于一种新型复合材料的开发，旨在提升超级电容器的电化学性能。研究团队通过一种创新的制备方法，将源自中国常见植物——国槐（*Sophora japonica*）的叶片碳化得到的碳材料（标记为SJC）与基于镍钴的碱式碳酸盐（NiCoBC）结合，最终制备出NiCoBC@C复合材料。这种材料不仅在结构和性能上表现出色，还为低成本、高效率的电化学储能设备提供了新的可能性。

国槐是一种在中国广泛分布的植物，其生长环境要求较低，具有良好的耐旱性和耐寒性，适合在贫瘠的土地上种植。然而，其叶片通常被视为废弃物，处理方式多为丢弃或焚烧，这不仅浪费资源，还可能造成环境污染。研究团队选择利用国槐叶片作为原料，不仅能够有效利用农业废弃物，还能通过科学方法将其转化为具有高附加值的材料。这一思路体现了资源循环利用和绿色可持续发展的理念，为生物质材料的高价值应用提供了新的方向。

在材料制备方面，研究采用了两步法。首先，通过一步碳化法将国槐叶片转化为SJC。该过程涉及将叶片在高温（750°C）和氩气气氛下进行碳化处理，以去除水分和杂质，从而获得高纯度的碳材料。随后，通过一步溶剂热法合成NiCoBC，这是一种具有高理论比容量的过渡金属碱式碳酸盐。研究进一步将NiCoBC与SJC结合，形成NiCoBC@C复合材料。这一过程不仅保持了NiCoBC的结构完整性，还通过SJC的高导电性和丰富的杂原子含量，提升了复合材料的整体性能。

SJC之所以能够显著提升NiCoBC@C的性能，主要在于其独特的物理和化学特性。首先，SJC具有较高的杂原子含量，这不仅增加了材料的比表面积，还提高了其对水基电解液的亲和性。这种亲和性有助于电解液在电极表面的快速扩散，从而促进电化学反应的进行。其次，SJC的导电性较强，可以有效改善复合材料的电子传导能力，使得电荷传输更加高效。最后，SJC的多孔结构为NiCoBC提供了充足的生长空间，使其能够均匀分布在碳材料表面，形成具有高活性位点的复合结构。

从结构和性能的角度来看，SJC和NiCoBC的结合带来了显著的提升。SJC的多孔结构和高比表面积不仅为NiCoBC的生长提供了良好的支撑，还增加了电极与电解液之间的接触面积，从而提高了电荷存储效率。而NiCoBC的引入则通过其自身的氧化还原反应机制，提升了电容器的比容量和能量密度。具体而言，SJC与NiCoBC的结合使得复合材料在电化学测试中表现出优异的性能。例如，在0.5 A/g的电流密度下，NiCoBC@C的比容量达到65 C/g，远高于单一材料的性能。此外，当电流密度增加6倍时，其比容量仍能保持在80%以上，显示出良好的倍率性能。

研究还通过多种手段对材料的结构和性能进行了系统分析。X射线衍射（XRD）结果显示，SJC主要由石墨碳构成，而NiCoBC则表现出其特有的晶体结构，这表明SJC并未破坏NiCoBC的晶格排列。Raman光谱进一步验证了SJC的石墨结构特征，同时揭示了NiCoBC在碳材料表面的稳定生长。氮气吸附-脱附实验表明，SJC具有较大的微孔体积和介孔体积，这有助于提高材料的比表面积和电解液的扩散能力。而NiCoBC@C的比表面积虽然低于SJC，但仍高于NiCoBC，这说明SJC的存在对NiCoBC的生长和结构优化起到了积极作用。

在电化学性能方面，研究团队采用了循环伏安法（CV）、恒流充放电（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）等多种测试方法，全面评估了材料的性能。CV曲线显示，NiCoBC@C具有较大的积分面积，表明其比容量远高于单一材料。此外，随着扫描速率的增加，CV曲线的形状变化较小，说明材料具有良好的倍率性能。GCD曲线进一步验证了这一结论，显示出NiCoBC@C在不同电流密度下的稳定充放电行为。EIS测试结果表明，NiCoBC@C的电荷转移电阻（Rct）较低，说明其具有优异的电子导电性。

为了验证材料的实际应用潜力，研究团队进一步构建了不对称超级电容器（ASC），以NiCoBC@C作为正极材料，活性炭（AC）作为负极材料。这种设计不仅能够充分发挥NiCoBC@C的高比容量和高能量密度优势，还能通过AC的高比表面积和良好的电荷存储能力，进一步提升ASC的整体性能。实验结果显示，ASC在0.5 A/g的电流密度下，比容量达到65 C/g，且在电流密度提高6倍后仍能保持80%的容量，显示出出色的倍率性能。此外，ASC在400 W/g的功率密度下，能量密度达到14.4 Wh/g，这一数值在当前的超级电容器研究中具有显著优势。

除了比容量和能量密度，研究还关注了ASC的循环稳定性。经过10,000次充放电循环后，ASC的比容量保留率仍高达83.3%，表明其具有较长的使用寿命。这种稳定性对于实际应用至关重要，尤其是在需要频繁充放电的电子设备中。研究团队还通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察了材料的微观结构，结果显示NiCoBC@C具有针状和块状结合的结构，这种结构有助于提高电极与电解液的接触效率，从而优化电化学反应过程。

此外，X射线光电子能谱（XPS）分析表明，SJC和NiCoBC之间的电子相互作用显著增强了材料的导电性。这种相互作用不仅体现在电子转移的增强上，还通过杂原子的引入，提升了材料的亲水性和电解液扩散能力。这些因素共同作用，使得NiCoBC@C在电化学性能上优于单一材料。

为了进一步验证材料的实际应用价值，研究团队还进行了LED点亮实验。实验结果显示，ASC能够驱动LED灯长时间发光，表明其在实际应用中具有较高的能量转换效率和稳定性。尽管之前的文献中常用LED点亮时间来评估材料的性能，但研究团队指出，这一指标受多种因素影响，包括电解液浓度、电容器组装方式、分离器类型、负极材料的性能以及LED本身的参数等。因此，他们更倾向于通过其他电化学指标来判断材料的实际应用潜力。

总的来说，这项研究通过将生物质碳材料与过渡金属碱式碳酸盐结合，成功制备出一种具有优异电化学性能的复合材料。SJC的引入不仅提升了材料的导电性、比表面积和电解液亲和性，还为NiCoBC的生长提供了良好的结构支撑。NiCoBC@C在超级电容器中的表现优于单一材料，显示出其在高能量密度和高功率密度方面的优势。此外，ASC的构建进一步验证了该复合材料在实际应用中的可行性，尤其是在高功率电子设备和可再生能源存储系统中。

研究的意义不仅在于材料性能的提升，还在于其可持续性和低成本。国槐叶片作为一种常见的农业废弃物，其来源广泛且成本低廉，使得该材料的制备过程更加环保和经济。同时，SJC和NiCoBC的结合策略为未来开发高性能、低成本的电化学储能材料提供了新的思路。这种策略可以推广到其他生物质材料和过渡金属化合物的组合中，为新型储能设备的研发提供理论支持和技术借鉴。

从长远来看，这项研究的成果有望推动超级电容器技术的发展，使其在新能源汽车、智能穿戴设备、移动电源等领域发挥更大的作用。随着对高能量密度和长循环寿命电容器的需求不断增长，SJC和NiCoBC的结合策略可能成为解决当前电容器性能瓶颈的重要手段。此外，该研究也为生物质资源的高附加值利用提供了新的方向，有助于推动循环经济和绿色制造的发展。

研究团队的贡献不仅体现在材料的制备和性能测试上，还在于其对材料结构和性能关系的深入分析。通过对XRD、Raman、XPS、SEM和TEM等多种表征手段的综合运用，他们揭示了SJC与NiCoBC之间的相互作用机制，为后续材料设计和优化提供了理论依据。此外，研究团队还对材料的电化学行为进行了系统研究，包括比容量、倍率性能、循环稳定性和能量密度等关键指标，确保了材料在实际应用中的可靠性。

未来的研究可以进一步探索SJC与不同过渡金属化合物的结合效果，以寻找更优的电化学储能材料。同时，还可以对材料的规模化生产和应用前景进行深入研究，以评估其在实际工业生产中的可行性和经济性。此外，针对不同应用场景，如柔性电子设备、便携式储能系统等，可以对材料的结构和性能进行针对性优化，以满足多样化的需求。

这项研究不仅为超级电容器的发展提供了新的材料选择，还为生物质资源的高效利用提供了可行方案。通过将农业废弃物转化为高性能电极材料，研究团队展示了资源循环利用的巨大潜力。这种策略不仅有助于减少环境污染，还能为可再生能源存储和电子设备提供更加可持续的解决方案。随着研究的深入，SJC和NiCoBC的结合方式有望在更多领域得到应用，推动绿色能源技术的进一步发展。