芒果叶衍生海绵状多孔硬碳作为钠离子电池高效负极材料的可持续性研究

本研究针对钠离子电池(SIBs)负极材料瓶颈问题，创新性地利用芒果叶通过水热碳化法合成具有海绵状多孔结构的硬碳(HC)。材料在900°C热解获得的MLHC-900展现出241 mAh g?1的高比容量及1200次循环后98%的容量保持率，为生物质废弃物制备低成本、高性能SIBs负极提供了新思路。

　　

随着全球对化石燃料依赖导致的CO₂排放激增，开发可再生能源存储技术迫在眉睫。尽管锂离子电池(LIBs)主导市场，但锂资源稀缺和成本高昂促使研究者转向钠离子电池(SIBs)。然而，SIBs负极材料面临重大挑战——石墨因钠离子(Na⁺)半径过大难以有效嵌脱。硬碳(HC)因其独特的无序结构和丰富缺陷成为理想替代品，但如何通过可持续途径获得高性能HC仍是关键科学问题。

在此背景下，来自Banaras Hindu University的研究团队创新性地选择芒果叶(Mangifera indica)作为前驱体，通过水热碳化结合高温热解(900°C/1000°C)制备出具有海绵状多孔结构的硬碳材料。相关成果发表在《Materials Research Bulletin》上，为解决SIBs负极材料的成本与性能矛盾提供了生物质转化新范式。

研究采用水热碳化结合管式炉热解技术，通过X射线衍射(XRD)和比表面积分析(BET)表征材料结构，并组装CR2032型纽扣电池测试电化学性能。芒果叶经盐酸预处理后，在180°C水热反应12小时，随后在氮气氛围中分别于900°C和1000°C热解2小时获得MLHC-900和MLHC-1000。

Results and Discussion
XRD分析显示两个样品均在22.8°和44.1°附近出现(002)和(100)晶面衍射峰，证实了HC中石墨微晶与无序结构的共存。MLHC-900具有更大的层间距(0.38 nm vs 0.36 nm)，更利于Na⁺的嵌入。BET测试显示MLHC-900具有88.3 m² g^?1的比表面积和丰富介孔结构。

Electrochemical Performance
在0.01-3.0 V电压窗口测试发现，MLHC-900在10 mA g^?1电流密度下提供241 mAh g^?1的可逆比容量，远高于MLHC-1000的215 mAh g^?1。循环伏安(CV)曲线显示0.1 V附近的还原峰对应Na⁺在纳米孔隙中的填充行为。更惊人的是，MLHC-900在1000 mA g^?1大电流下经历1200次循环后仍保持98%容量，而MLHC-1000仅剩75%，表明适度热解温度(900°C)能优化材料稳定性。

Conclusions
该研究开创性地证实芒果叶衍生HC作为SIBs负极的三大优势：(1)水热碳化工艺简单且可持续；(2)900°C热解形成的介孔结构和适宜氧含量能协同促进Na⁺存储；(3)材料在极端电流下展现近乎完美的循环稳定性。这项工作不仅为生物废弃物高值化利用提供范例，更推动SIBs向低成本、高性能储能系统迈进。通讯作者Rajendra Kumar Singh指出，该方法可扩展至其他含氧生物质，具有工业化应用潜力。