当地榅桲果渣的废物能源化增值：制备分级多孔活性炭用于高性能电化学电容器电极

《Biomass and Bioenergy》：Waste-to-energy valorization of local Cydonia oblonga fruit waste into hierarchically porous activated carbon for high-performance electrochemical capacitor electrodes

　　

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  本地水果废弃物被成功转化为分层多孔活性炭。
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  活化温度决定了表面化学特性和电化学性能。
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  该活性炭具有高比表面积，并具有微孔/介孔结构。
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  在碱性电解质中实现了高比电容和优异的循环稳定性。
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  所开发的电极在5000次充放电循环后仍保留92.6%的电容。

引言

全球向可再生能源加速转型的趋势，使得对能够实现高功率密度、快速充放电和长使用寿命的储能技术的需求日益迫切。在现有技术中，电化学电容器（通常称为超级电容器）已成为电池的重要补充，它们在拉贡（Ragone）图上填补了传统介电电容器与可充电电池之间的性能差距 [1,2]。根据电荷储存机制的不同，超级电容器通过电动双层电容器（EDLC）中电极/电解质界面的静电离子吸附 [3,4]，或通过赝电容器中快速、可逆的法拉第表面反应来运作。这些机制赋予了超级电容器出色的功率密度、快速充放电速率，以及通常可达10⁴–10⁶次循环的使用寿命 [5]。然而，其相对较低的能量密度仍然是更广泛部署的主要限制。克服这一限制需要对电极材料进行合理设计，优化其表面积、孔结构、电导率和表面化学特性。

碳材料凭借其高比表面积、良好的电导率、化学和热稳定性、可调的孔隙率以及相对低廉的成本，主导了EDLC电极领域 [6,7]。然而，电容性能并非简单取决于比表面积的绝对大小，而更关键地取决于电解质离子对该表面可达性及有效利用的程度。因此，分层互连的孔结构已成为高性能碳电极的核心设计原则。在此类结构中，微孔（<2 nm）提供丰富的电荷储存位点，而介孔（2–50 nm）和大孔（>50 nm）则促进快速离子传输、缩短扩散路径，并充当电解质缓冲储库 [8,9]。通过可控且可持续的加工路线构建此类多尺度多孔网络仍是一项重要的研究挑战。在此背景下，活性炭作为化石基碳前驱体的可再生、丰富且经济高效的替代品，引起了越来越多的关注，同时也有助于在循环经济框架内实现农业和食品加工副产品的增值利用 [[10], [11], [12]]。多种生物质废弃物，包括稻草、桉木、棕榈废料纤维和草类残余物，已成功转化为具有竞争力的电化学储能电极 [10,[13], [14], [15]]。水果废弃物尤为令人期待，因为其天然无序的木质纤维素结构和含杂原子的组分可以在碳化和活化过程中促进孔道形成和表面功能化 [[16], [17], [18], [19]]。例如，之前的研究报告称，由橙果废弃物衍生的活性炭比表面积约为2203 m² g^?1，并在5000次循环中保持稳定的电化学性能 [20,21]。这些发现凸显了具有区域特色的水果废弃物作为先进碳电极可持续前驱体的巨大未被开发的潜力。

榅桲（Cydonia oblonga），在当地被称为ayva果，属于蔷薇科植物，在西亚和地中海盆地广泛种植 [22]。其种植、消费和加工会产生大量水果残留物，其处置会带来环境和经济负担。尽管榅桲因其营养、药理和抗氧化特性而受到广泛研究，但其作为碳前驱体的利用仍十分有限，仅有少数研究报告了其转化为发光碳量子点的过程 [23]。据我们所知，榅桲果废弃物转化为分层多孔活性炭用于高性能电化学电容器电极的研究尚未得到系统探索。这一知识空白对于寻求当地可获得、可持续的废物能源化途径的主要榅桲产区尤其相关。榅桲生物质的规模相当可观。土耳其是全球最大的生产国，2023年产量为192,237吨，而全球产量超过798千吨，种植面积约8.1千公顷，平均产量约24吨/公顷 [24]。产量集中在六个省份——萨卡里亚、代尼兹利、比勒吉克、伊兹密尔和布尔萨，这些省份合计约占全国榅桲果园的73% [25]，因此残留物流呈地理聚集分布而非分散，有利于去中心化收集和处理。榅桲加工业将水果加工成果酱、果冻和果汁时，丢弃的果皮和果核及种子部分约占水果质量的10% [24]，而更广泛的水果和蔬菜加工行业，包括剔除的、破损的和不可上市的水果，其副产物比例可达25–30% [22,24]。对土耳其年产量采用保守的10–25%比例，估计可获得19–48千吨/年的湿榅桲生物质，按果皮和果核组织约18%的干物质含量计算 [26]，对应3.5–8.7千吨/年的干碳含量。榅桲在地中海更广泛地区同样种植，特别是在摩洛哥、西班牙、葡萄牙、意大利和希腊，因此相同的残留物流和转化途径在该地区均具有适用性。目前，这些残留物大部分被用作堆肥、动物饲料或填埋 [22,27]。将其转化为电极级碳材料，将闭合当前以处置为终点的物质循环，构成一条具体的循环生物经济途径。

本文中，来源本地的榅桲（Cydonia oblonga）果废弃物通过KOH辅助化学活化结合控制热解，可持续地转化为分层多孔活性炭 [28,29]。为阐明不同热处理温度对结构–性能关系的影响，利用SEM、EDX、XRD和FTIR分析对活性炭前驱体进行了全面表征，以建立形貌、孔结构和表面组成之间的关系。通过在碱性电解质和酸性电解质中使用循环伏安法、恒流充放电和电化学阻抗谱，在三电极和对称两电极配置下系统评估了其电化学性能。本研究确立了榅桲果废弃物作为具有区域意义的碳前驱体，并阐明了热解温度、分层孔隙率和电解质化学如何共同决定所衍生电极的电容行为。

章节摘要

材料

榅桲（Cydonia oblonga；当地称为Ayva）果废弃物收集自土耳其科贾埃利省伊兹米特的当地市场，并作为活性炭生产的生物质前驱体。氢氧化钾颗粒（KOH，≥85%）、盐酸（HCl，37%）、硫酸（H₂SO₄，95%）、乙醇（≥99.8%）和聚偏氟乙烯（PVDF，聚合物级）均购自Sigma-Aldrich（默克，土耳其伊斯坦布尔）。所有化学品均为分析纯，未经进一步处理直接使用

FTIR分析

利用FTIR光谱研究了原始榅桲果废弃物转化为活性炭过程中表面官能团的演变，结果如图2所示。原始生物质表现出木质纤维素前驱体的典型振动特征。从约3628至3003 cm^?1的宽吸收带被归属为纤维素、半纤维素和木质素中羟基及氢键结构的O–H伸缩振动。该

结论与未来研究方向

本研究证明了通过KOH辅助活化和控制热解，将本地可用的榅桲（Cydonia oblonga）果废弃物成功转化为分层多孔活性炭，为将农业废弃物转化为电化学储能用增值电极材料提供了可持续途径。活化温度强烈影响结构演化、表面化学、孔结构和电化学行为

CRediT作者贡献声明

Sadat Ahmed Bello：撰写——原稿、方法学、正式分析、数据整理、概念构思。Fahanwi Asabuwa Ngwabebhoh：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、概念构思。Ufuk Yildiz：撰写——审阅与编辑、可视化、验证。

伦理审查与批准

本研究不需要伦理批准。

资金声明

本研究未获得任何资金资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知利益冲突。

致谢

作者感谢科贾埃利大学内部资助BAP（FBA-2025-4366）提供的资金支持。

Sadat Ahmed Bello|Fahanwi Asabuwa Ngwabebhoh|Ufuk Yildiz