制浆诱导木质素分子化学对锌基储能体系非碳化电极本征电荷储存行为的调控机制研究

《RSC Applied Interfaces》：From Functional Groups to Electrochemical Performance: The Role of Lignin Chemistry in Zinc-Based Energy StorageOpen Access

　　

类木质素，是地球上最丰富的可再生芳香族生物聚合物之一，也是主要的工业副产品，约占木质纤维素的30%，仍然是有吸引力但探索不足、利用不充分的电化学储能材料前体。本工作系统研究了三种具有工业相关性的木质素衍生物——碱木质素（AL）、kraft木质素（KL）和木质素磺酸盐（SL）——作为锌基储能体系的活性电极材料。这些材料以原始、未碳化的形式使用，从而避免了碳基电极制造中通常需要的高能耗热解步骤。通过全面的物理化学和电化学表征，揭示了制浆诱导的化学反应如何调控电荷储存行为。光谱分析显示，各木质素在官能团组成上存在显著差异：KL富含羰基基团，AL保留了更接近天然木质素的结构特征，具有保存完好的芳香族网络，而SL则以磺化过程中引入的高密度磺酸基官能团为主导。这些组成差异转化为不同的电化学响应，从AL和KL的赝电容行为到SL中以前容量式电荷储存为主。在采用3 M三氟甲磺酸锌（Zn(OTf)?）作为水性电解质的双电极配置中，KL表现出最高的比电容（75 F/g）和能量密度（6.4 Wh/kg），而SL尽管比电容较低，但表现出更优的循环稳定性（10,000次循环后保持率91%）。据我们所知，这是首次在不使用复合材料、未经碳化的电极中系统地将制浆诱导的木质素化学与其本征电荷储存性能解耦。本研究通过建立明确的结构-性质-性能关联，证明木质素的本征分子化学——包括氧化还原活性官能团、磺化度和芳香族网络完整性——调控着离子传输动力学、法拉第活性和界面过程。这些发现为下一代水性储能体系中的生物质基电极材料提供了基础性的机理见解和合理的设计原则，确立了原始木质素电极中的电荷储存行为受氧化还原活性氧官能团密度与磺酸基驱动的离子/静电捕获之间平衡的调控，而非仅由离子电导率决定。- 该内容仅可通过PDF获取。- ? 2026 作者。由皇家化学会出版。- 本文根据知识共享署名 4.0 国际许可协议（Creative Commons Attribution 4.0 International License）授权发布。您可以在其他出版物中使用本文内容而无需向RSC申请进一步许可，前提是正确注明出处。