通过辅助去除木质素和原位集成技术，提高生物质衍生碳电极的能量存储性能

《Journal of Energy Storage》：Enhanced energy storage in biomass-derived carbon electrodes via assisted lignin removal and in situ integration

采用木质素去除（LR）结合ZIF-8纳米颗粒原位生长的序列策略，成功制备出高比电容（434 F/g）和能量密度（36 Wh/kg）的碳材料，通过优化孔隙结构与表面官能团配位实现高效储能。

　　

作者：钟山、李帆、刘晨、徐浩、王双、曹大鹏

单位：江苏大学能源与动力工程学院，镇江，212013，中国

摘要

在本研究中，我们采用了一种先进的顺序策略：首先去除木质素（LR），然后在原位生长ZIF-8纳米颗粒，将加拿大金光菊（CG）植物与ZIF-8（CG_LR@Z）结合在一起，最终通过使用K₂CO₃作为化学活化剂进行碳化处理，制备出高孔隙率的碳材料。木质素的去除增强了活性功能团的暴露程度，为ZIF-8在生物质表面的均匀负载提供了充足的成核位点。所得到的碳材料（Carbon-CG_LR@Z）具有2152 m² g^?1的高比表面积和1.3595 cm³ g^?1的孔体积，同时实现了氮（N）和氧（O）的有效掺杂。在三电极系统中，该材料在0.5 A g^?1的电流密度下表现出434 F g^{?1₄作为电解质时，对称超级电容器达到了36 Wh kg?1?1}

引言

如今，经济发展和人口增长导致了对能源资源的需求大幅增加。与此同时，化石燃料的广泛使用引发了严重的环境污染和能源短缺问题[1],[2],[3],[4]。因此，迫切需要改进能源存储和转换技术，这些技术应具备高效率、低污染的特点，并在电力系统中具有广泛的应用前景[5],[6],[7]。超级电容器（也称为双电层电容器EDLC）是一种独特的储能装置，它介于传统电容器和可充电电池之间，兼具快速充放电能力和储能功能。此外，超级电容器还具有循环寿命长、功率密度高以及环保等优点，使其成为电动汽车、便携式电子设备和智能电网等领域的理想组件[8],[9],[10]。超级电容器的基本工作原理是电解质与电极界面之间的离子物理吸附与脱附过程，这一过程使得能量得以储存[8]。电极材料的选择对于优化超级电容器的性能至关重要，可选材料包括导电聚合物[11]、活性炭[12]、石墨烯[13]、过渡金属氧化物/硫化物[14]以及复合材料[15]。考虑到资源利用效率和成本因素，来自生物质的多孔碳材料越来越被视为适合用于超级电容器的电极材料，尤其是那些来源于农业废弃物、林业副产品和城市固体废弃物的材料[16],[17],[18],[19]。

最近，许多研究人员通过策略性地设计孔结构和有针对性地修改表面化学环境，致力于提升生物碳材料在超级电容器中的电容性能[8],[20],[21],[22],[23]。例如，傅等人通过微波热解Sargassum thunbergia制备出了性能优异的分级多孔碳材料。这种生物质前体富含氮（N）和氧（O）等杂原子以及金属元素，有利于优化生物碳的微观结构。值得注意的是，在NaNO₃电解质中，由于微孔尺寸与电解质离子直径相匹配，该材料的电压可提升至2.0 V，从而实现了39.0 Wh kg^-1-1-1-1-1

加拿大金光菊（CG）是一种入侵性植物，对当地生态系统构成威胁，因此对其的有效转化有助于减轻环境负担。其独特的纤维管状结构有助于形成高比表面积和良好孔隙率的碳材料。特别是，这种木质纤维素生物质含有丰富的氧功能团，可以提升所得碳电极的电化学性能。在本研究中，我们首先采用了一种新颖的顺序策略：先去除CG中的木质素（LR），然后在原位生长ZIF-8，得到复合产物CG_LR@Z，其中CG作为原始木质纤维素生物质，ZIF-8均匀附着在其表面。这种LR处理旨在破坏植物细胞壁结构，暴露大量氧功能团，从而提高生物质的结构可及性，便于后续ZIF-8在暴露后的生物质表面生长。在碳化过程中，ZIF-8作为牺牲模板，为最终的多孔碳材料（Carbon-CG_LR@Z）引入额外的孔隙率。在6 M KOH电解质中，Carbon-CG_LR@Z在三电极（3E）系统中的电化学性能表现出色，比电容为434 F g^{-1-1₀为1.89 s。使用1 M TEABF₄/AN电解质制备的对称超级电容器（Carbon-CG_LR@Z//TEABF₄）达到了35.93 Wh kg-1-1}

实验部分

关于材料、表征和电化学测量的详细信息请参见补充材料。

合成与表征

Carbon-CG_LR@Z的制备过程如图1所示。首先，在酸性条件下使用亚氯酸钠去除加拿大金光菊（CG）中的木质素。实际上，采用了国家可再生能源实验室（NREL）的方法来测定木质素去除（LR）前后半纤维素、纤维素和木质素的含量。表S1中的结果表明，部分木质素已成功去除。

结论

通过800°C下对CG生物质和ZIF-8进行热解，采用了一种新颖的顺序策略（包括木质素去除和ZIF-8在生物质表面的原位生长），制备出了层次丰富的多孔碳材料。实验结果表明，有效的木质素去除处理在生物质表面暴露了大量功能团，为ZIF-8的原位生成提供了大量成核位点。

作者贡献声明

钟山：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据分析、概念构思、资金申请。 李帆：撰写——审稿与编辑、软件使用、方法论设计、数据管理。 刘晨：结果验证、实验研究。 徐浩：软件使用、数据管理。 王双：实验指导、资金申请。 曹大鹏：实验指导、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了江苏省杰出青年基金（BK20230012）和江苏大学高级人才科学研究基金（20JDG41）的财政支持。作者感谢Shiyanjia实验室（www.shiyanjia.com）在NREL测试、XPS分析和元素分析方面提供的支持。