采用生物废弃物电催化剂的、适用于海水电池的高容量混合电极

《Energy Technology》：High-Capacity Hybrid Electrode for Seawater Batteries with Bio-Waste Electrocatalyst

本研究利用花生壳生物废料制备了高比表面积、多孔结构的活性炭，并将其作为海水电池（SWB）阴极的电催化剂。通过优化碳化和 KOH 活化工艺，材料展现出优异的电容性能（166% 提升）和协同催化效应，使全电池电压间隙降低 59%，为可持续能源存储技术提供了低成本、可扩展的解决方案。

　　### 从可持续能源角度分析海洋电池的创新进展

随着全球对可持续能源技术的需求不断增长，科学家们正在积极探索新的解决方案，以减少对传统化石燃料的依赖并降低碳排放。海洋覆盖了地球表面的70%以上，这使其成为一种极具潜力的资源。近年来，一种基于海水的可充电海洋电池（Seawater Battery, SWB）因其独特的性能和可持续性受到了广泛关注。SWB利用海水中的钠离子作为活性物质，无需额外提取钠，这不仅降低了成本，还减少了对环境的影响。然而，为了实现高性能的SWB，仍然需要有效的电催化剂来促进氧析出（OER）和氧还原（ORR）反应，这些反应是SWB运行的关键。

### 生物废弃物在电催化剂中的应用

在众多研究中，科学家们发现利用生物废弃物作为电催化剂的来源是一种极具前景的策略。生物废弃物不仅资源丰富，而且其转化过程通常更加环保，同时具备高比表面积、良好的孔隙结构和丰富的表面活性官能团，这些特性使其在电化学性能方面表现出色。例如，研究中提到的花生壳是一种常见的生物废弃物，其高碳含量和结构特性使其成为理想的电催化剂原料。通过简单的碳化和化学活化工艺，可以将花生壳转化为具有高比表面积和可控孔隙结构的活性炭，从而提升其在SWB中的性能。

### 材料的合成与结构优化

研究团队采用了一种低成本且易于扩展的工艺来合成花生壳衍生的活性炭。该工艺包括对原始花生壳进行研磨、碳化、化学活化以及后续的清洗和干燥步骤。碳化过程在600°C下进行3小时，确保了有机材料的充分分解并形成了碳骨架。随后，使用KOH进行化学活化，以进一步增加材料的孔隙率和表面活性。这一过程显著提升了活性炭的比表面积，使其达到945.7 m2/g，同时形成了层次分明的孔隙结构，包括微孔、介孔和大孔，从而提高了离子传输效率和电荷存储能力。

### 材料的性能表现

通过对材料的结构和化学特性进行详细分析，研究团队发现，经过KOH活化的花生壳活性炭具有比原始商业碳毡更高的表面活性和更优的孔隙结构。这些特性不仅增强了材料的导电性，还提升了其在电化学反应中的表现。在电化学测试中，该材料表现出显著的电容提升，相较于未涂层的加热碳毡，其电容提高了约166%。同时，其电压间隙也明显减少，平均降低了59%，这表明其在实际应用中能够提供更高效的能量存储和释放。

### 碳毡电极的改进与应用

在本研究中，研究人员将花生壳活性炭作为涂层材料，涂覆在经过热处理的商业碳毡上，形成了一种新型的电极材料——花生壳涂层碳毡（PSCF）。这种材料在结构上保持了碳毡原有的特性，同时通过活性炭的添加显著提升了其性能。在电化学测试中，PSCF表现出优异的电容性能，其电容值达到了82.8 F/g，远高于HCCF的31.1 F/g。此外，PSCF在不同电流密度下的表现也优于HCCF，其电压间隙的减少使得整体能量效率显著提高，达到了74.7%至94.2%之间，而HCCF的能量效率则为51.0%至83.2%。

### 功能团与电化学行为

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR-ATR）分析，研究团队发现，PSCF中含有丰富的氧活性官能团，如C=O和C-O等。这些官能团不仅提高了材料的润湿性，还增强了其对OER和ORR反应的催化能力。相比之下，HCCF由于主要由碳纤维构成，其表面功能团较少，导致电化学性能相对较弱。PSCF在电化学测试中展现出更广泛的电流范围和更优的电容特性，这表明其在实际应用中具有更高的能量存储潜力。

### 润湿性与电化学性能的关系

润湿性是评估电极材料性能的重要指标之一。在本研究中，PSCF在未使用和使用后的接触角分别为91.3°和81.6–125.6°，表明其具有良好的润湿性。这种润湿性不仅有助于电解液与电极材料的充分接触，还能促进离子的快速传输，从而提升电化学反应效率。相比之下，HCCF的润湿性较差，接触角为121.4°，在使用后其润湿性显著改善，接触角降低至接近不可测的范围。这一现象可能与NaCl在电极表面的沉积有关，它能够降低表面张力并促进润湿性提升。

### 电化学测试与性能评估

通过恒电流充放电测试、循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）等多种手段，研究团队对PSCF和HCCF的电化学性能进行了全面评估。在恒电流充放电测试中，PSCF表现出更宽的电压范围和更长的充放电时间，表明其在能量存储方面具有优势。CV测试结果进一步证实了PSCF在不同扫描速率下的电容特性，其电流响应范围明显大于HCCF。EIS测试则揭示了PSCF在电荷转移和双电层电容方面的优势，其总电阻显著增加，但电容提升更为显著。

### 全电池性能与实际应用潜力

在全电池配置下，PSCF和HCCF分别作为阴极材料进行测试，结果显示PSCF在不同电流密度下的性能均优于HCCF。电压间隙的显著减少（最高达59%）表明PSCF在OER和ORR反应中的催化效率更高，从而提升了整体能量效率。此外，PSCF的电容值也显著增加，使其在能量存储和释放方面具有更大的优势。这些性能的提升不仅来源于材料的高比表面积和良好润湿性，还与其丰富的氧活性官能团密切相关。

### 未来展望与研究意义

本研究不仅为SWB技术提供了一种新的电极材料，还展示了生物废弃物在可持续能源技术中的巨大潜力。通过将花生壳这种常见且易于获取的生物废弃物转化为高性能的电催化剂，研究团队为实现绿色、低成本和可扩展的海洋电池技术提供了新的思路。这种材料的合成和应用不仅有助于减少对昂贵贵金属催化剂的依赖，还能降低整体制造成本，提高能源存储系统的经济性和环境友好性。未来，随着技术的进一步优化和规模化生产，这种基于生物废弃物的电极材料有望在海洋能源存储领域发挥更大作用，为实现更清洁的能源解决方案做出贡献。