《Applied Surface Science》：Plasma-inducing carbon defects for in-situ catalyzing carbon nanomaterials growth on bamboo charcoal to suppress polarization for high-rate lithium-ion battery
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等离子体诱导的拓扑缺陷工程使得碳-碳复合材料能够原位生长碳纳米材料。
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ACEFs（Al
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等离子体诱导的拓扑缺陷工程使得碳-碳复合材料能够原位生长碳纳米材料。
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ACEFs（All-carbon nanofibers）和CNFs（Carbon nanofibers）的三维导电网络通过增强阳极材料的内在导电性来抑制电化学极化。
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BNTF-650-60电极在锂离子电池（LIBs）中表现出竞争性的倍率性能，在10C电流下容量保留率达55.45%。
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BNTF-650-60电极在5C电流下表现出优异的长期稳定性，在1000次循环后容量保留率为81.37%（129.73 mAh g^-1）。
引言
对可持续能源存储的迫切需求推动了环保可充电电池的发展。近年来，基于生物质的碳（如从香蕉皮和竹子中提取的碳[1]、[2]、[3]、[4]）因其低成本和可再生性而被视为锂离子电池（LIBs）中石墨阳极的潜在替代品。生物质碳在能源存储和转换领域发挥着关键作用，这得益于其丰富的原材料、天然的孔结构以及较大的表面积。其中，竹子是最有前途的生物质碳来源，因为它具有快速的更新能力和广泛的可用性，其提取的碳已被广泛研究作为锂离子电池、钠离子电池和钾离子电池的阳极材料[5]、[6]、[7]。然而，与其他生物质碳类似，竹基碳（BC）的性能受到其较差的内在导电性和表面活性位点持续消耗电解质离子的限制[8]、[9]。因此，提高BC的内在导电性和调节其表面活性位点是实现高性能能源存储的关键。
为了调节活性位点的数量并提高锂存储容量和循环性能，人们探索了多种改性策略。例如，Jusef Hassoun等人使用碱处理樱桃壳来制备多孔碳阳极[10]。Young-Soon Kim等人通过高温碳化竹炭和橡木炭制备了合成石墨[11]。Zhumabay Bakenov等人使用KOH作为活化剂合成了从琼脂中提取的多孔碳[12]。尽管这些策略增加了活性位点的数量并提高了比容量，但过高的活性位点密度往往会影响循环稳定性。因此，调节碳材料中的活性位点数量目前是关键目标之一。
另一方面，竹炭主要由非晶碳组成，其中sp^3杂化碳的比例较高，导致导电性有限。相比之下，sp^2杂化碳具有离域的π电子网络，有助于高效的电子传输。sp^2杂化的一维（1D）CNM（如ACNTs和CNFs）常被用作导电剂，因为它们具有优异的导电性和易于构建导电网络的特点[13]、[14]、[15]、[16]。此外，含有不连续石墨烯片段和碳簇的CNM更有利于锂离子的插入[17]、[18]、[19]、[20]。例如，Z. Zhou等人报告称，ACNTs的锂插入容量优于多壁和单壁CNTs[21]。这种特定的结构特性直接解决了商业石墨在高倍率条件下的固有局限性。虽然商业石墨被广泛使用，但其实际快速充电应用受到缓慢的插入动力学和较大的电荷传输阻力的严重限制，导致在高倍率下容量急剧下降[22]、[23]。相反，通过将原位生长的ACNTs/CNFs整合到BC基质中，形成的BNTF构建了一个三维互连网络，极大地加速了电子/离子传输。这种独特的架构使BNTF具备了出色的高倍率性能（在10C电流下容量保留率为55.45%）和优异的循环耐久性（在5C电流下1000次循环后容量保留率为179.47 mAh g^-1），这凸显了其在高功率LIBs中的巨大实际潜力。
1D CNM通常是通过化学气相沉积（CVD）技术制备的，使用铁、钴和镍等催化剂[24]、[25]、[26]。这种传统方法需要酸洗以去除催化剂，但往往难以完全去除催化剂，导致锂枝晶在残留催化剂的作用下大量形成[27]。最近，一些研究人员提出了使用缺陷碳催化策略来制备1D CNM[28]、[29]、[30]、[31]。在这种策略下，残留的碳催化剂不会影响这些材料在LIBs中的电化学性能[28]、[32]。引入缺陷的常见方法包括化学活化、杂原子掺杂和等离子体处理。由于氩（Ar）等离子体能够在不改变材料内在组成的情况下进行物理蚀刻，因此被用于生成作为CNM生长核位的拓扑缺陷[33]、[34]。因此，原位在竹炭上生长sp^2-CNM不仅能够调节表面活性位点，还有助于构建导电网络，从而提高其内在导电性。
在本研究中，我们提出使用Ar等离子体处理竹炭，在其表面形成碳缺陷位点，以低温生长ACNTs或CNFs。该策略基于以下考虑：首先，原位在竹炭表面生长ACNTs或CNFs显著提高了其内在导电性；其次，1D ACNTs和CNFs有效地构建了三维导电网络，促进了粒子间的电子传输；第三，这种策略有效地抑制了由于ACNTs或CNFs的非晶碳结构早期嵌入而导致的活性位点对锂离子的持续消耗。目标样品的微观结构和性能表征与制备策略相符：不仅在其表面观察到了大量的ACNTs或CNFs，而且其电化学性能也非常优异，尤其是在高倍率和循环性能方面。基于以上情况，这种制备策略为BC在LIBs中的实际应用带来了希望。
章节片段
利用等离子体激活竹炭以生成缺陷活性位点
首先将竹炭粉末进行高温碳化处理。随后，在室温下对其进行Ar等离子体蚀刻。蚀刻过程在气体流量为10 mL/min和等离子体功率为200 W的条件下进行10分钟。所有样品都经历了这些等离子体处理条件。
非晶ACNTs和CNFs的合成
使用经过等离子体处理的竹炭作为基底，通过CVD合成了CNTs。乙炔被用作碳源。
结果与讨论
当竹炭应用于锂离子电池（LIBs）时，面临着内在导电性差和表面活性位点持续消耗电解质离子的难题。为了解决这一问题，本工作提出了利用等离子体诱导的碳缺陷来原位催化碳纳米材料在竹炭上的生长。BNTF的制备过程如图1所示。首先，通过机械粉碎和900°C的碳化获得竹炭粉末。其次，
结论
总之，采用等离子体诱导的激活技术生成了碳缺陷位点，以实现无金属的原位催化ACNTs和CNFs在竹炭基质上的生长。首先，我们使用200 W的恒定功率进行10分钟的Ar等离子体预处理，以生成丰富的表面拓扑缺陷作为活性位点。然后我们进行了CVD反应，系统地调整生长温度从550°C到650°C，以及生长时间从30分钟到120分钟。原位生长的
Youhao Xu：撰写 - 原始草稿，研究，数据管理，概念构思。 Jingyi Wang：正式分析，数据管理，概念构思。 Yifan Liu：验证，概念构思。 Yong Fan：正式分析，数据管理，概念构思。 Jiali Du：正式分析，数据管理，概念构思。 Biao Guo：正式分析，数据管理，概念构思。 Yang Hu：正式分析，数据管理，概念构思。 Jun Luo：正式分析，数据管理，概念构思。 Bin
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了浙江省“先锋”和“领头雁”研发计划（2026C02A1057）的财政支持。
“Youhao Xu|Jingyi Wang|Yifan Liu|Yong Fan|Jiali Du|Biao Guo|Yang Hu|Jun Luo|Bin Wang|Xian Jian”
