可持续生物质废弃物转化微孔碳用于钠离子电池高效储能解决方案

为解决钠离子电池(SIBs)负极材料性能不足的问题，研究人员创新性地采用水热碳化(HTC)结合KOH活化的方法，将废弃棉纤维转化为具有808 m2/g高比表面积的微孔碳材料(MC3)。该材料在0.1 A/g电流密度下展现出330 mAh/g的可逆容量，且循环400次后仍保持280 mAh/g的高稳定性，为生物质基电极材料的工业化应用提供了新思路。

　　

随着全球对可再生能源需求的激增，钠离子电池(SIBs)因其原料丰富、成本低廉被视为锂离子电池(LIBs)的重要替代品。然而，钠离子较大的半径导致其扩散速率慢，且易对电极结构造成破坏，这使得开发高性能负极材料成为关键挑战。与此同时，纺织行业每年产生数百万吨废弃棉纤维，这些废弃物通常被填埋或焚烧，造成严重的环境问题。如何将这类生物质废弃物转化为高附加值材料，成为当前研究的热点。

伊斯坦布尔理工大学纺织工程系的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表了一项创新研究。他们通过水热碳化(HTC)、KOH活化和热解的三步法，首次将废弃棉纤维转化为具有分级多孔结构的硬碳材料。研究采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和氮气吸附-脱附测试等表征手段，系统考察了不同KOH比例对材料结构的影响，并通过循环伏安(CV)和恒电流充放电(GCD)测试评估了电化学性能。

关键技术方法

1. 水热碳化(HTC)：在250°C下将废弃棉纤维转化为碳前驱体

2. 化学活化：采用不同比例(1:1至1:3)的KOH溶液进行孔隙调控

3. 高温热解：在800°C惰性气氛中完成碳化过程

4. 电化学测试：以钠箔为对电极，1 M NaClO₄/EC:PC为电解液组装CR2032型纽扣电池

研究结果

3.1 形貌与结构特征

SEM显示MC3具有三维互联的微孔结构，TEM证实其孔径主要分布在2 nm以下。随着KOH比例增加，比表面积从MC0的206 m²/g提升至MC3的808 m²/g，微孔体积从0.04 cm³/g增至0.31 cm³/g。

3.2 晶体结构与缺陷分析

XRD显示所有样品均呈现无定形碳特征，(002)晶面间距达0.42 nm，远高于石墨的0.335 nm。拉曼光谱中ID/IG比值从MC0的1.00增至MC3的1.03，表明KOH活化引入了更多缺陷位点。

3.3 电化学性能

MC3在0.1 A/g下展现480 mAh/g的首圈放电容量，库伦效率达79%。经过200次循环后仍保持330 mAh/g的可逆容量，且在1 A/g高电流密度下循环400次后容量保持率达85%。CV曲线显示0.2 V处的还原峰对应Na⁺的可逆嵌入/脱出过程。

讨论与意义

该研究通过"纸牌屋"模型解释了微孔碳的储钠机制：1) Na⁺嵌入石墨烯层间；2) 在孔隙和缺陷处吸附；3) 在微孔内形成纳米级钠簇。相比传统石墨负极31 mAh/g的容量，MC3的性能已接近商业化硬碳材料(约300 mAh/g)的水平。研究特别指出，整合KOH回收和废水处理策略可进一步提升该工艺的环境友好性。

这项工作不仅为纺织废弃物高值化利用提供了新途径，其低温水热预处理与可控化学活化相结合的策略，也为设计高性能生物质基电极材料提供了重要参考。随着钠离子电池产业的快速发展，这种兼具经济效益和环境效益的合成方法展现出广阔的工业化应用前景。