稻壳衍生活性炭在染料敏化太阳能电池中的应用及通过氧化还原添加剂增强水凝胶电解质提升混合超级电容器性能

本研究针对传统超级电容器(SCs)能量密度低的问题，利用稻壳(RH)生物质制备高比表面积(806.125 m2/g)活性炭(AC)，通过引入KI氧化还原添加剂优化H2SO4液体电解质和PVA水凝胶电解质体系。结果表明，含KI的水凝胶电解质使比电容提升至186.31 Fg?1，较传统液体电解质提高5倍；同时将RH(AC)应用于DSSCs对电极，实现1.76%转换效率。该研究为农业废弃物高值化利用和新型储能器件开发提供新思路。

　　

随着全球能源危机和环境问题加剧，开发高效、可持续的能源存储与转换技术成为研究热点。超级电容器(SCs)因其高功率密度和长循环寿命备受关注，但较低的能量密度(0.5-6 Wh/kg)限制了其商业化应用。与此同时，染料敏化太阳能电池(DSSCs)作为第三代光伏技术，其铂对电极的高成本问题亟待解决。农业废弃物稻壳(RH)富含纤维素和硅质结构，经活化后可形成具有分级多孔结构的碳材料，这为同时解决上述问题提供了可能。

印度理工学院的研究团队通过水热碳化和KOH活化(800°C)将RH转化为活性炭(AC)，系统表征显示其具有806.125 m²/g的高比表面积和石墨化结构。研究创新性地构建了六种电解质体系：1M H₂SO₄液体电解质、含0.3M KI的氧化还原液体电解质、PVA-H₂SO₄水凝胶及其含KI变体。通过循环伏安法(CV)测试发现，KI的引入显著提升了电容性能，其中水凝胶电解质在含KI时比电容达186.31 Fg^?1，远高于传统液体电解质(151.95 Fg^?1)。电化学阻抗谱(EIS)证实水凝胶体系具有更低的电荷转移电阻。同步将RH(AC)应用于DSSCs对电极，配合聚合物电解质实现了0.59V的开路电压(V_oc)。

关键技术包括：X射线衍射(XRD)和拉曼光谱表征碳材料晶体结构，扫描电镜(SEM)观察多孔形貌，氮气吸附-脱附测试(BET)测定比表面积，三电极体系进行CV和恒流充放电(GCD)测试，以及电化学工作站进行EIS分析。

研究结果显示：(1)XRD谱中23.48°和43.28°的宽峰证实材料具有石墨化特征；(2)SEM显示AC呈现丰富的蜂窝状孔隙；(3)含KI电解质在CV曲线中呈现典型的I^?/I₃^?氧化还原峰；(4)水凝胶电解质展现出最佳倍率性能，在100 mV/s扫描速率下仍保持初始电容的61%；(5)DSSCs测试中RH(AC)对电极的电荷转移电阻(3.18 Ω)接近铂电极。

结论表明，RH衍生的AC材料兼具环境友好和低成本优势，通过氧化还原添加剂与水凝胶电解质的协同作用，可同时提升SCs的能量密度(达186.31 Fg^?1)和DSSCs的光电转换效率(1.76%)。该研究不仅为农业废弃物资源化利用开辟新途径，更为开发高性能混合储能器件提供了重要参考，相关成果发表于《Journal of Energy Storage》。特别值得注意的是，水凝胶电解质解决了传统液体电解质易泄漏的问题，而KI添加剂通过I^?/I₃^?可逆氧化还原反应实现额外赝电容贡献，这种双重优化策略对推动柔性电子器件发展具有启示意义。