基于废弃柑橘生物质的多级孔碳材料制备及其在高性能电容去离子中的应用研究

本研究针对低成本环保型电容去离子（CDI）电极材料制备难题，以废弃柑橘皮（LP）为原料，通过KOH活化法制备多级孔碳材料，在400–1000?°C温度范围内优化孔隙结构与亲水性。材料展现33.57?mg?g?1 的盐吸附容量（SAC）及0.11?min?1 的准一级动力学常数，为生物质资源化与海水淡化提供新思路。

　　

全球淡水资源仅占地球水资源的3%，而海水淡化技术如反渗透、电渗析等存在高能耗、二次污染等问题。电容去离子（Capacitive Deionization, CDI）技术因低能耗、环境友好等优势成为研究热点，但其核心挑战在于开发高性能电极材料。传统碳材料如活性炭（AC）虽成本低，但孔隙结构和吸附性能亟待优化。与此同时，柑橘加工业每年产生大量废弃果皮（占果实重量40–50%），其富含纤维素、木质素及氧/氮功能基团，是理想的碳前体。如何将这类生物质转化为高效CDI电极材料，成为解决资源浪费与海水淡化双重问题的关键。

孟加拉国教育部资助的研究团队以废弃柑橘皮（Lime Peel, LP）为原料，通过碳化与KOH活化制备多级孔碳材料，系统研究了温度（400–1000?°C）对材料性能的影响。研究采用热重分析（TGA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）等技术表征材料特性，并通过循环伏安法（CV）、恒电位充放电（GCD）及电化学阻抗谱（EIS）评估其电化学性能。最终在自制CDI流动池中测试盐吸附容量（SAC），并探讨了流速、盐浓度等参数对脱盐效率的影响。

材料与方法
研究通过碳化LP生物质获得生物炭，再经KOH活化调控孔隙结构。采用接触角测试验证材料亲水性，石墨电极负载碳材料后，通过三电极体系测试比电容（C_sp
）。CDI实验中，对称电极组装的流动池在1.2?V下运行，通过电导率变化计算SAC。

结果与讨论

1. 材料特性：FESEM显示，KOH活化在700–1000?°C下形成分级孔隙（微孔/介孔共存），XRD证实材料为无定形碳。FTIR检测到含氧官能团（-OH、-COOH），增强表面亲水性（接触角<90°）。
2. 电化学性能：CV曲线呈现典型矩形特征，表明双电层电容（EDL）主导电荷存储。800?°C制备的材料C_sp
   最高（152?F?g^?1
   ），GCD测试显示优异循环稳定性（500次后容量保持率>95%）。
3. 脱盐性能：优化条件下（1.2?V，20?mL?min^?1
   ），SAC达33.57?mg?g^?1
   ，动力学符合准一级模型（k=0.11?min^?1
   ）。低电压（<1.23?V）有效避免水解副反应，优于同类生物质碳材料（如玉米芯SAC仅19.2?mg?g^?1
   ）。

结论与意义
该研究成功将废弃柑橘皮转化为高效CDI电极材料，其分级孔隙与表面化学特性协同提升脱盐性能。成果发表于《Desalination》，不仅为生物质资源化提供范例，更推动低成本、可持续海水淡化技术的发展，契合联合国可持续发展目标（SDG 6）的清洁水需求。未来研究可进一步探索工业化放大与复杂水体（如含重金属废水）处理应用。