基于扁豆壳磁性工程活性炭的双向杂化材料在环境修复与电化学储能中的性能研究

本研究针对重金属污染治理与清洁能源存储需求，创新性地以扁豆壳为原料制备磁性工程活性炭（MLSAC），通过化学活化与CuFe2 O4 纳米颗粒负载技术，开发出兼具高效吸附Ni2+ /Hg2+ （最大吸附量分别为54.36/80.45 mg/g）和优异超级电容性能（148.14 F/g@0.04 A/g）的双功能材料，为生物质资源高值化利用提供新范式。

　　

随着全球工业化进程加速，两大危机日益凸显：一方面是重金属污染水体导致的生态灾难，镍（Ni²⁺
）和汞（Hg²⁺
）等有毒离子通过食物链富集威胁人类健康；另一方面是化石能源枯竭与气候变暖背景下，开发高效储能设备的迫切需求。传统活性炭虽广泛应用于污染治理和超级电容器（SC），但其原料不可再生且功能单一。如何将农业废弃物转化为多功能材料，成为破解资源环境双重困局的关键。

迪莱大学（Dicle University）的Gülbahar Akkaya Say??l?团队在《Inorganic Chemistry Communications》发表的研究中，开创性地利用土耳其巴特曼省扁豆加工厂的废弃扁豆壳（LS），通过微波辅助化学活化与共沉淀法，成功制备出磁性工程活性炭（MLSAC）。这种杂化材料不仅对Ni²⁺
/Hg²⁺
表现出优异吸附性能，更在超级电容器领域展现出148.14 F/g的高比电容，实现了"一材双用"的重大突破。

关键技术包括：1）微波活化（MW）结合K₂
CO₃
化学活化制备高比表面积LSAC（1875 m²
/g）；2）共沉淀法负载CuFe₂
O₄
纳米颗粒构建磁性复合材料；3）三电极体系测试电化学性能；4）Langmuir和准二级动力学模型分析吸附机制。

【研究结果】

1. 材料优化：通过响应面法确定最佳制备参数为活化剂比3:1、温度800°C、时间1小时，获得孔隙率达0.995 cm³
   /g的LSAC基底。
2. 吸附性能：MLSAC对Hg²⁺
   的吸附量（80.45 mg/g）显著高于Ni²⁺
   （54.36 mg/g），符合化学吸附主导的Langmuir模型，磁性特性使分离效率提升90%。
3. 电化学表现：在0.5 M Na₂
   SO₄
   电解液中，MLSAC电极呈现典型双电层电容（EDLC）行为，经1000次循环后容量保持率达90%，EIS显示极低电荷转移电阻。
4. 结构表征：XRD证实CuFe₂
   O₄
   成功嵌入碳基质，BET显示磁化后仍保持分级多孔结构，为离子/电子传输提供快速通道。

该研究首次实现扁豆壳基材料在环境-能源双领域的协同应用，其创新性体现在：1）开发微波快速活化工艺，较传统加热节能80%；2）通过CuFe₂
O₄
的赝电容效应弥补碳材料能量密度不足；3）建立"吸附-磁回收-再生"的闭环处理系统。这不仅为农业废弃物高值化利用提供范例，更为设计下一代环境友好型多功能材料指明方向。正如作者Gülbahar Akkaya Say??l?强调的，这种"变废为宝"的策略，有望在发展中国家同时解决污染治理与可再生能源存储的难题。