基于水葫芦的活性炭：不同KOH浓度对超级电容器电化学性能的优化研究

《New Biotechnology》：Electrochemical evaluation of water hyacinth–based activated carbon for energy storage devices using various KOH concentrations

本研究针对有害水生植物水葫芦的资源化利用及高性能超级电容器电极材料开发问题，研究人员通过系统研究不同KOH浓度(1M、2M、6M)和两种浸渍方式(磁力搅拌与回流)对水葫芦基活性炭(ACs)结构和电化学性能的影响。结果表明，采用100°C回流浸渍的样品(R2M和R6M)比表面积分别达1620m2g-1和1484m2g-1，在5mVs-1扫描速率下比电容高达216Fg-1和215Fg-1，组装的对称超级电容器能量密度达4.5-4.7Whkg-1。该研究为低成本、环保型高性能储能材料的开发提供了新策略。

　　

在能源存储领域，超级电容器(Supercapacitors, SCs)因其高功率密度和快速充放电特性而备受关注。然而，传统电极材料如碳纳米管和石墨烯虽然性能优异，但成本高昂且难以工业化生产，限制了其广泛应用。为此，研究人员将目光转向低成本、可再生的生物质前驱体，其中活性炭(Activated Carbon, ACs)因其高比表面积和良好导电性成为理想选择。但使用粮食作物或林木生物质制备活性炭可能引发粮食安全和 deforestation 等环境问题，因此寻找合适的替代原料迫在眉睫。

墨西哥圣路易斯波托西的圣何塞大坝正遭受水葫芦(Eichhornia cressipes)的严重侵害，这种水生植物繁殖迅速，覆盖水面，减少水中溶氧量，促进甲烷生成，并为传播登革热、寨卡病毒等疾病的蚊虫提供孳生环境。有趣的是，这种有害植物却成为了制备活性炭的潜在优质原料。此前虽有研究尝试用水葫芦制备超级电容器，但存在工艺复杂(如36小时冷冻干燥)、成本高或比电容低(100Fg^-1)等问题。因此，开发一种低成本、高效的水葫芦基活性炭制备工艺，并系统研究其电化学性能，对于同时解决环境问题和能源存储需求具有重要意义。相关研究成果发表在《New Biotechnology》上。

本研究主要采用了以下关键技术方法：首先，对采集自墨西哥圣何塞大坝的水葫芦叶片和茎秆进行空气中300°C的氧化预碳化；其次，采用不同浓度(1M、2M、6M)的KOH溶液，通过磁力搅拌(室温)和回流(100°C)两种方式进行浸渍；随后，在850°C、N₂氛围下进行化学活化；最后，利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)、氮气吸附-脱附(BET比表面积测试)等手段对材料进行表征，并通过循环伏安(CV)、恒电流充放电(GCD)和电化学阻抗谱(EIS)评估其电化学性能。

3.1. 形貌与组成表征

通过SEM和TEM观察发现，经KOH活化后的样品(A2M, R2M, R6M)相较于仅预碳化的样品(S0)呈现出显著发达的孔隙结构。FTIR光谱证实KOH成功浸渍到碳前驱体上。拉曼光谱分析表明，回流浸渍的样品(R2M和R6M)具有更高的缺陷程度(I_D/I_G比值分别为1.0和1.21)，这与其更高的比表面积相关。XRD显示，回流浸渍样品中石墨烯片层的(002)晶面衍射峰减弱或消失，表明KOH活化过程导致碳晶格扩张，形成了更丰富的孔隙。BET测试结果显示，回流浸渍样品R2M和R6M的比表面积分别高达1620m²g^-1和1484m²g^-1，且R2M样品具有更优的微孔和介孔分级孔道结构，有利于离子传输。四探针法测试表明，回流浸渍样品的电导率(如R2M为0.24Scm^-1)虽略低于磁力搅拌样品，但仍足以满足电极材料要求。

3.2. 三电极体系下的电化学表征

电化学测试结果表明，浸渍方式和KOH浓度对活性炭的电化学性能有显著影响。采用回流浸渍的样品(R2M和R6M)表现出最优异的性能，在5mVs^-1扫描速率下，比电容(C_g)分别达到216Fg^-1和215Fg^-1，远高于磁力搅拌浸渍的对应样品(A2M为145.3Fg^-1, A6M为94.3Fg^-1)。CV曲线呈现近似矩形的双电层电容特征，GCD曲线呈对称三角形，表明其具有良好的充放电可逆性。EIS分析显示R2M样品具有更低的电荷转移电阻(R_CT=0.23Ω)。通过电流贡献分离分析，确认其电容主要来源于双电层电容(EDLC)，并伴有少量赝电容贡献。

3.3. 对称双电极器件表征

将性能最优的R2M和R6M活性炭组装成对称超级电容器进行测试。在1V电压窗口、1MH₂SO₄电解液中，两种器件均表现出良好的电容特性。R2M和R6M组装的器件在0.5Ag^-1电流密度下，能量密度(E_d)分别达到4.5Whkg^-1和4.7Whkg^-1，功率密度(P_d)分别达到14.3kWkg^-1和15kWkg^-1。经过10000次循环充放电测试后，两种器件的电容保持率均接近100%，显示出极好的循环稳定性。

本研究成功开发了一种以有害水生植物水葫芦为原料，通过优化KOH浸渍工艺(特别是采用100°C回流法)制备高性能活性炭的有效方法。研究结果表明，浸渍温度(回流加热优于室温搅拌)和KOH浓度(2M和6M优于1M)是获得高比表面积和高比电容活性炭的关键参数。虽然采用2M和6MKOH回流浸渍获得的活性炭电化学性能相当，但从经济和生态角度考虑，使用较低浓度KOH(2M)的R2M样品更具应用潜力。该工作不仅为水葫芦这一环境污染物提供了高附加值的资源化利用途径，也为低成本、可持续的高性能超级电容器电极材料的开发提供了新的思路和技术参考。所制备的活性炭材料性能与文献中其他生物质衍生活性炭相当甚至更优，展现了良好的应用前景。