多孔碳/氧化铁纳米复合材料在砷污染水体修复与不对称超级电容器中的协同应用

本研究针对砷污染治理与廉价储能双重需求，创新性地将核桃壳衍生的多孔碳与α-Fe2 O3 复合，开发出高效As(V)吸附剂（390 mg g?1 ），并通过惰性气氛热处理将废吸附剂转化为含FeAs/FeAsO4 的电极材料，实现228 F g?1 比电容和81.1 Wh kg?1 能量密度，为"毒废转财富"提供闭环解决方案。

　　

砷污染是威胁全球饮用水安全的重大环境问题，无机砷（As(III)/As(V)）通过地下水进入食物链后，可引发砷中毒（arsenicosis）及多系统疾病。与此同时，能源危机催生对低成本储能器件的迫切需求。传统砷吸附剂存在二次污染风险，而超级电容器（SCs）电极材料面临成本与性能的平衡难题。印度理工学院（ISM）丹巴德分校联合韩国研究团队在《Materials Today Chemistry》发表研究，开创性地将核桃壳废料转化为多孔碳/α-Fe₂
O₃
纳米复合材料，实现砷污染治理与储能器件开发的协同创新。

研究采用两步热解法（500°C碳化+KOH活化）制备高比表面积（614.25 m²
g^?1
）多孔碳，通过水热法负载α-Fe₂
O₃
构建吸附剂。废吸附剂经氩气热处理后，采用三电极体系测试电化学性能，并组装不对称超级电容器进行实际应用验证。

【Synthesis of porous carbon】
核桃壳经研磨碳化后，KOH化学活化获得分级多孔结构。XRD显示典型(002)和(101)碳衍射峰，BET证实其介孔-大孔协同体系，为砷吸附提供通道。

【Morphology and structure】
FESEM显示α-Fe₂
O₃
纳米颗粒均匀锚定碳骨架，XRD证实赤铁矿相（2θ=24.3°-62.5°）。拉曼光谱中D/G峰强度比1.03表明缺陷位点增加，利于砷配位。

【Adsorption performance】
pH 3时吸附量达390 mg g^?1
（45°C），40分钟完成90%去除。XPS证实As(V)通过Fe-O-As键合作用被固定，FTIR显示吸附后As-O振动峰出现。

【Electrochemical properties】
废吸附剂热处理形成FeAs/FeAsO₄
和γ-Fe₂
O₃
复合相，与多孔碳协同贡献228 F g^?1
比电容（0.5 A g^?1
）。器件在8000 W kg^?1
下仍保持59 F g^?1
容量，循环万次无衰减。

该研究突破传统吸附剂的"末端治理"局限，通过材料基因重组将毒害砷转化为功能性电极组分。所构建的"C/Fe-As-O‖C"非对称器件成功点亮LED阵列，验证了"污染修复-能源转化"闭环技术的可行性。这种基于循环经济（circular economy）的多功能材料设计策略，为环境治理与新能源开发的交叉创新提供了范式。