从Lamtoro叶子中制备的ZnCl?活化的多孔碳纳米结构，用于氧还原反应和电容储能

《Biomass and Bioenergy》：ZnCl 2-activated porous carbon nanostructure from Lamtoro leaves for oxygen reduction reaction and capacitive energy storage

　　

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  富含氮的Lamtoro叶子通过ZnCl₂活化处理转化为多孔碳。
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  ZnCl₂活化有效增强了孔隙结构和电化学性能。
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  LL-900在氧化还原反应（ORR）中的活性可与商用10%重量比的Pt/C催化剂相媲美。
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  LL-900表现出优异的能量存储性能，具有高比电容和循环稳定性。

引言

科学和技术的持续进步导致全球能源需求显著增加。截至2026年，近80%的能源需求仍依赖于不可再生资源，尤其是化石燃料[1],[2],[3]。为应对这些挑战，人们普遍认为水力、风能和太阳能等可再生能源是有前景的解决方案[4],[5]。然而，这些能源也受到限制，尤其是由于它们的间歇性和地域依赖性。为克服这些问题，迫切需要开发能够提升绿色能源收集技术并实现可靠能量转换和存储系统的高效材料[3],[6]。在先进的能源解决方案中，燃料电池用于能量转换，而超级电容器则常用作能量存储[4]。设计同时支持能量转换和存储的多功能材料是一个有前景的目标，使得一种材料可以同时满足这两种应用的需求。燃料电池的优点包括高能量密度、低环境影响和便于携带[7]。由于阴极的氧化还原反应（ORR）过程较慢，通常使用含有10-20%重量比铂的催化剂（10-20% Pt/C）。此外，阴极所需的催化剂几乎是阳极的四倍。尽管铂的效率高，但其高昂的成本和有限的可用性仍然是大规模商业应用的主要障碍[8]。因此，人们一直在努力设计兼具经济可行性和长期稳定性的催化剂。由于碳基材料具有较大的活性表面积、可调节的孔结构、高稳定性和良好的电荷传输性能，因此受到了广泛关注[9],[10],[11]。提高碳基材料ORR性能的有效策略之一是在其结构中引入杂原子[12]。氮和氧的掺杂可以引入富电子的活性位点，改善润湿性，并调控碳矩阵内的电荷分布，从而促进氧的吸附并降低ORR的活化能[13]。氮的功能基团，如吡啶基、石墨基金属和吡咯基氮，通过改变电子结构来增强氧中间体的吸附，从而提高电催化活性[14],[15]。

超级电容器因其快速的充放电性能、延长的生命周期以及相对于传统电容器和可充电电池更高的能量密度而被认为是有前景的能量存储系统[16],[17]。超级电容器中的电荷存储通常通过三种机制实现：电双层电容器（EDLC），即在电极-电解质界面发生电荷吸附；伪电容，来源于法拉第氧化还原反应；以及混合电容，结合了EDLC和伪电容的特性[18]。将伪电容材料与EDLC型材料（如碳基复合材料、掺杂杂原子的多孔碳、过渡金属氧化物等）结合使用，由于协同效应，可以实现比纯EDLC更高的能量密度[19]。这为解决先进能量存储系统的挑战提供了平衡的方法。

从长远来看，生物质的可持续性和低成本特性使其成为开发先进碳材料的理想前体[20]。此外，利用废弃生物质进行增值应用有助于实现废物转化和减轻废物管理问题[21]。最近的研究探索了多种生物质来源，如核桃壳[22]、塔科马木[23]、废弃琼脂木[24]、椰子壳[25]和橙皮[26]作为用于能量应用的碳基材料的前体。Lamtoro叶子（Leucaena leucocephala）在印度森林中大量存在，是一种合适的生物质前体。这些叶子主要含有丰富的纤维素、半纤维素和木质素，这为其高碳含量做出了贡献，同时其富含多种杂原子成分，如生物碱、黄酮类、皂苷和单宁[27]。

此外，无论是物理活化（使用蒸汽或二氧化碳作为活化剂）还是化学活化（ZnCl₂、KOH、K₂CO₃和H₃PO₄），都能显著提升生物质的电化学性能[28]。特别是化学活化，在高温下可以改善碳材料的表面积、孔径、孔体积和活性位点的数量。然而，这些性质强烈依赖于所使用的化学活化剂类型和活化条件[29]。氯化锌（ZnCl₂）是用于从生物质合成多孔碳材料的最常用化学活化剂之一[30]。它作为一种脱水剂和强路易斯酸，促进氢氧化物以水分子的形式释放。在碳化过程中，残留的锌物种会还原为金属锌或转化为氧化锌，然后挥发并在材料中形成多孔结构[31]。随后的酸洗可去除残余的ZnO，留下发达的微孔和中孔网络，从而增加材料的表面积[32]。在热解过程中，来自生物质的碳以及氮和氧等杂原子可以被保留并融入碳矩阵中。这些杂原子引入缺陷位点并改变碳的电子结构，从而通过生成大量活性位点来增强电导率[33]。在超级电容器应用中，导电碳材料中的含氮和氧功能基团通过法拉第（伪电容）和非法拉第（EDLC）机制共同提高能量存储性能[34]。

在本研究中，通过使用ZnCl₂进行一步化学活化，随后在不同温度（800°C至950°C）下热解，从废弃的Lamtoro叶子（LL）中制备了掺杂杂原子的石墨碳材料。本研究揭示了 SSA（表面积）、孔隙率和杂原子掺杂在碳框架中对能量转换和存储应用的作用。进一步地，FESEM和BET表面分析证实所得LL-900材料具有纳米片状形态、大的SSA和显著的孔隙率。LL-900材料在1600转/分钟（rpm）的ORR条件下，获得了-5.77 mA/cm²的J_L和1.00 V的E_onset（相对于RHE），与商用10%重量比的Pt/C催化剂相当。同样的材料（LL-900）在三电极系统中使用H₂SO₄电解质时，展现出了221.16 F/g的比电容（C_sp，电流密度为1 A/g）。此外，在对称超级电容器（SSC）设备中，它在1 A/g电流密度下获得了8.20 Wh/kg的能量密度（E.D.）和2.28 kW/kg的功率密度（P.D.）。总之，本研究介绍了一种绿色、可扩展、简单且成本效益高的方法，将废弃的Lamtoro叶子转化为具有优异电催化和能量存储性能的活性多孔碳材料。

章节摘录

Lamtoro叶子衍生的氮掺杂石墨碳的合成工艺

首先，从印度特伦甘纳邦的Warangal收集废弃的Lamtoro叶子。为了去除表面灰尘和杂质，先用自来水清洗叶子，然后用蒸馏水冲洗，最后在阳光下晾干并粉碎成细粉。接下来，将1克Lamtoro叶子粉与不同比例的氯化锌混合，加入几滴蒸馏水辅助搅拌。之后，

物理表征

为了研究合成LL材料的结构和形态特征，采用了多种表征技术。使用Cu Kα辐射在2θ范围10°至60°内进行了粉末X射线衍射（PXRD）测量，步长为0.02°。所有LL材料的PXRD图谱在24.16°和43.54°附近显示出两个宽峰，对应于石墨碳的（002）和（100）晶面（图1a）[35]。这些宽峰表明

结论

一种简单、绿色且成本低廉的方法可以将废弃生物质（Lamtoro叶子）转化为用于高性能能源应用的掺杂杂原子的石墨碳材料。对合成材料进行了系统的表征，以确定它们的物理化学性质与ORR和超级电容器应用中的电化学性能之间的关系。本研究强调了改善表面润湿性、提高SSA以及天然因素的综合作用

资助

印度新德里DRDO（ERIP/ER/202308001/M/01/1838）。

CRediT作者贡献声明

Jakke Amulya：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据管理、概念构思。Avinash Sharma：撰写——审稿与编辑、方法论、概念构思。Athira C M：撰写——审稿与编辑、数据管理。Yadagiri Naik Banothu：撰写——审稿与编辑、研究。Mukul Pradhan：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。

利益冲突声明

没有需要声明的利益冲突。

致谢

作者感谢NIT Warangal化学系提供的研究平台。J. Amulya感谢NIT Warangal和MHRD提供的研究生奖学金。

Jakke Amulya|Avinash Sharma|Athira C M|Yadagiri Naik Banothu|Mukul Pradhan