生物质废弃物衍生碳点介导银纳米颗粒的合成及其超级电容器电极电化学性能评价

为解决化石燃料能源存储效率低和环境污染问题，研究人员创新性地利用Pongammia pinnata叶片衍生的碳点（CDs）绿色合成银纳米颗粒（PG-CDs-AgNPs），开发出高性能超级电容器电极材料。该材料在三电极体系中展现540 F/g的比电容，组装的非对称超级电容器（ASC）能量密度达71 W·h/kg，循环10000次后容量保持率87%，为生物质资源高值化利用和清洁能源存储提供新策略。

　　

随着全球能源需求激增和环境污染加剧，开发高效、可持续的能源存储技术成为当务之急。传统化石燃料不仅储量有限，其使用还伴随严重的碳排放问题。超级电容器（Supercapacitor）因其高功率密度、快速充放电和长循环寿命等优势，被视为下一代能源存储设备的有力竞争者。然而，现有电极材料普遍面临比电容（Specific Capacitance, SC）不足、能量密度（Energy Density, ED）偏低等问题，且传统纳米材料合成方法常涉及有毒化学试剂，违背绿色化学原则。

针对这些挑战，印度Vignan科学技术与研究基金会（Vignan Foundation for Science, Technology and Research）的Navya Kumari Tenkayala团队创新性地利用Pongammia pinnata叶片废弃物制备碳点（Carbon Dots, CDs），并以其作为还原剂和稳定剂，开发出银纳米颗粒（PG-CDs-AgNPs）复合电极材料。这项发表在《Beilstein Journal of Nanotechnology》的研究，通过绿色合成路径实现了高性能超级电容器电极的制备，为解决能源存储与环境可持续性的矛盾提供了新思路。

研究团队采用紫外-可见光谱（UV-Vis）、透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）等技术表征材料特性，通过循环伏安法（CV）和恒电流充放电（GCD）测试电化学性能。关键发现包括：PG-CDs-AgNPs呈现10 nm均匀球形结构，XRD证实其面心立方晶型；XPS显示CDs表面含氧官能团通过氧化还原反应将Ag⁺转化为Ag(0)；BET测试显示83.04 m²/g的高比表面积。

结构表征与形成机制

TEM显示PG-CDs-AgNPs具有0.24 nm晶格间距的(111)晶面，SAED衍射环证实其结晶性。XPS中Ag 3d_5/2（368.7 eV）和Ag 3d_3/2（374.6 eV）峰证实零价银存在，C 1s谱显示C=O基团增加，揭示CDs的邻苯二酚基团通过氧化还原反应介导AgNPs形成。

电化学性能突破

三电极测试中，PG-CDs-AgNPs在1 M KCl电解液中展现540 F/g的SC（2 A/g），优于文献报道的Kimchi cabbage提取物制备AgNPs（424 F/g）。组装的ASC器件在1 M TEABF₄/DMSO有机电解液中实现1.8 V工作电压，能量密度达71 W·h/kg（1.5 A/g），且在4 A/g高电流密度下仍保持175 F/g的SC。

稳定性与实用价值

10,000次循环后容量保持率达87%，EIS显示电荷转移电阻（R_ct）仅从2.6 Ω增至3.2 Ω。这种将生物质废弃物转化为高性能电极材料的策略，不仅降低了生产成本，还通过全绿色合成路径避免了传统化学还原法的毒性问题。

该研究首次证实植物源CDs可同时作为AgNPs的还原剂、封端剂和稳定剂，其复合材料的EDLC（双电层电容）与赝电容协同效应显著提升储能性能。这一成果为生物质资源在能源存储领域的应用开辟了新方向，对推动可持续能源技术发展具有重要意义。