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为提升超级电容器性能，研究人员以甘蔗渣纤维素制备羧甲基纤维素（CMC），与丙烯酰胺（AM）、2 - 丙烯酰胺基 - 2 - 甲基 - 1 - 丙磺酸（AMPS）共聚交联，再引入还原氧化石墨烯（rGO）、氧化镍（NiO）纳米颗粒及 rGO@NiO 复合材料。优化样品 XGNi2.5比电容达 497.8 F g-1，循环稳定性佳，为可持续电极材料提供新方向。
在能源存储领域，超级电容器凭借快速充放电、长循环寿命等优势，成为介于传统电容器与电池之间的重要储能器件。然而，其能量密度与功率密度的平衡难题，以及电极材料的可持续性问题，一直制约着行业发展。传统电极材料多依赖化石资源衍生碳材料或贵金属氧化物，不仅成本高，还面临环境负担。如何开发兼具高电化学性能与生态友好性的新型电极材料，成为科研人员亟待攻克的挑战。
为突破这一困境，来自埃及等机构的研究团队将目光投向农业废弃物 —— 甘蔗渣。甘蔗渣富含纤维素，是制糖工业的主要副产品，具有来源广泛、成本低廉、可再生等特点。研究人员以甘蔗渣纤维素为起点，开展了一系列创新性研究，相关成果发表在《International Journal of Biological Macromolecules》。
研究人员采用的关键技术方法包括：通过化学改性将纤维素转化为羧甲基纤维素（CMC）；利用共聚反应使 CMC 与丙烯酰胺（AM）、2 - 丙烯酰胺基 - 2 - 甲基 - 1 - 丙磺酸（AMPS）形成聚合物网络，并通过 N,N`- 亚甲基双丙烯酰胺（MBA）交联增强机械性能；引入还原氧化石墨烯（rGO）、氧化镍（NiO）纳米颗粒及 rGO@NiO 复合材料对体系进行导电改性；借助傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和热重分析（TGA）对材料结构与热稳定性进行表征；通过循环伏安法（CV）、恒电流充放电（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）评估材料的电化学性能。
结果与讨论
材料合成与结构表征
通过 FTIR 证实了 CMC、AM/AMPS 共聚物及 rGO@NiO 复合材料的特征官能团存在，XRD 分析显示 NiO 纳米颗粒的结晶度达 84.8%，rGO@NiO 复合材料呈现约 28.1% 的结晶结构，微应变数据表明各组分间存在有效界面相互作用。SEM 图像直观展示了复合材料的多孔网络结构，有利于离子传输与电荷存储。
电化学性能评估
CV 测试显示，引入 rGO 与 NiO 的复合材料呈现明显氧化还原峰，表明存在可逆法拉第过程，证实了高赝电容贡献。优化后的样品 XGNi2.5在 0.5 A g-1电流密度下展现出 497.8 F g-1的高比电容，5000 次循环后仍保持 91% 的电容保持率，体现出优异的循环稳定性。GCD 曲线呈现近似对称的三角形，表明材料具有良好的双电层电容特性。EIS 结果显示低电荷转移电阻（Rct）和高效离子传输能力，进一步验证了材料的电化学优势。
能量与功率密度分析
基于 XGNi2.5电极构建的固态超级电容器，在功率密度为 226.2 W kg-1时，实现了 44.2 Wh kg-1的最大能量密度，这一性能优于许多同类生物基电极材料，表明该复合材料在平衡能量与功率密度方面的显著优势。
结论与意义
本研究成功将甘蔗渣浆转化为高性能超级电容器电极材料，通过 CMC 基质与 rGO@NiO 复合材料的协同作用，解决了传统电极材料在可持续性与电化学性能间的矛盾。NiO 的赝电容特性与 rGO 的高导电性、机械稳定性形成互补，赋予复合材料优异的电荷存储能力与结构可靠性。该成果不仅为农业废弃物的高值化利用提供了新路径，也为开发环保型超级电容器电极材料开辟了新方向，有望推动下一代可持续能源存储技术的发展。研究中提出的生物基材料设计策略，为跨学科解决能源与环境问题提供了重要参考，展现了生物质资源在先进电子器件领域的巨大应用潜力。
