源自豌豆皮废弃物的分级多孔碳用于水净化及水系锌离子电容器的双重应用

《Biomass and Bioenergy》：Pea peel waste-derived hierarchical porous carbon for dual applications in water purification and aqueous zinc-ion capacitors

　　

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  以豌豆皮衍生的多孔活性炭应用于废水处理和水系锌离子电容器双重用途。
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  活性炭对亚甲基蓝的最大Langmuir吸附量为440.5 mg g^?1，去除效率达99%。
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  豌豆皮衍生的PPAC-800作为水系锌离子电容器的正极材料，在电流密度为1 A g^?1时，比电容为152 F g^?1，能量密度为54 Wh kg^?1。

引言

发展中经济体的快速人口增长显著增加了对淡水资源和可持续能源解决方案的需求，这主要是由于化石燃料储量有限[1]。新的化学和科技进步可以推动生态系统发生重大变化，以应对水资源短缺和能源挑战等问题。然而，在提供新方案的同时，任何发展都应承担可持续发展的责任，并强调对环境无有害或最小程度的有害影响。鉴于此，许多研究目前正致力于从农业废弃物中开发先进高效的可持续材料，将其转化为有价值的产品。农业废弃物资源提供了一种有吸引力的替代方案，通过农业废弃物的可持续增值利用，同时实现废弃物的资源化利用和功能材料的开发[2,3]，用于能量存储应用和水净化[4]。

水污染的主要贡献因素之一是工业废水以及这些污染物未经监管地释放到水生环境中，威胁水生和海洋生物，最终减少安全用水的可获得性，影响卫生和饮用水供应[5]。特别是，纺织染料中大量使用的偶氮染料、反应性染料、酸性染料和碱性染料以及其他有毒加工化学品造成了巨大的环境负担[6,7]。据报道，纺织行业每年通过废水向水体中排放近20,000吨染料[8]。亚甲基蓝（MB）是一种常见的阳离子染料，对环境和健康构成严重威胁，需要有效的修复策略[9,10]。因此，在联合国第十七项可持续发展目标中，目标6旨在实现"清洁水和卫生"，为所有人提供清洁水和卫生设施。包括我们在内的众多研究人员正在通过光催化、电解或光催化-电解努力实现这一特定目标。但在本研究中，我们采用了不同的方法，没有使用任何金属/金属氧化物或有害化学品来处理这些废水。在这里，我们专注于开发一种基于吸附的方法，利用农业废弃物衍生的高度多孔活性炭来处理污染物。这种废弃物生物质资源化的成功使其成为一种具有双重用途的有用材料，应用于水修复和水系锌离子电容器。尽管石墨烯在碳材料研究中意义重大，但新的研究已将重点转向其他纳米结构碳材料，如碳点、石墨烯氧化物/CNT复合材料、碳纳米片、聚合物功能化碳和杂原子掺杂碳[[11]、[12]、[13]]。这些材料具有较大的比表面积和功能基团，具有不同程度的孔隙率，并在吸附、超级电容器及其他能源相关应用中表现出良好的性能。然而，由于其制造成本高、合成方法复杂、材料产率低、颗粒团聚以及在实际应用中的结构稳定性差，其大规模应用仍受到限制[14,15]。因此，目前正在进行持续的努力，以改善其在运行条件下的稳定性和耐久性。物理活化和化学活化在控制生物质衍生活性炭的吸附性能和稳定性方面发挥着至关重要的作用。受控的退火条件，如退火温度、升温速率和退火环境，对生物质衍生活性炭的比表面积、孔隙率和形貌具有显著影响，从而调节其质量和功能[[16]、[17]、[18]、[19]]。此外，碳ization过程中产生的含氮和含氧功能基团也有助于提高吸附容量和电化学活性。因此，生物质衍生碳为能源和环境应用提供了有效且可持续的高比表面积载体材料替代方案[20,21]。

在之前的研究中，我们已将绿茶废弃物资源化，利用所生产的活性炭同时从水中吸附两种染料并作为超级电容器电极材料[22]。在本工作中，我们使用豌豆皮（Pisum sativum）——一种广泛丰富的农业废弃物——生产多功能活性炭，通过基于吸附的方法去除亚甲基蓝用于环境修复。同一活性炭材料被用作锌离子电容器（ZICs）中的电极材料，以2 M ZnSO₄作为电解质。豌豆皮中的木质纤维素组分（纤维素、半纤维素和木质素）对生产强碳结构有显著贡献，活化后可形成先进的微孔和介孔结构[23]。豌豆皮衍生碳的分级孔隙和表面功能基团为通过氢键、孔填充和π–π相互作用吸附阳离子染料（亚甲基蓝）提供了足够的活性位点[[24]、[25]、[26]]。另一方面，具有良好比表面积的微孔杂原子掺杂碳材料有助于离子扩散、电荷存储能力和循环稳定性。锌因其价格低廉、与水系电解质兼容而成为有前景的电荷载体，使得锌基储能系统比锂基储能系统更安全、更环保[27]。废弃物衍生碳所提供的吸附和电化学双重功能，为有效的废水处理和高可靠性的能量存储提供了双重优势。因此，本研究所生产的豌豆皮衍生活性炭可被视为应对环境清理和下一代储能技术关键问题的有效多功能材料。

章节摘要

材料合成

原料豌豆（Pisum sativum）生物质从印度喜马偕尔邦Kamand村的一家农业农场获取。戴手套手工将豆皮从可食用的豆荚中分离出来。豆皮用水反复清洗，最后用蒸馏水清洗以去除灰尘、污垢和其他污染物，然后在80°C的烘箱中干燥24小时。随后，将豆皮研磨成细粉，并筛选为粒径小于150目。豌豆皮

结果与讨论

采用一系列表征技术获得了合成材料的结构和热性能。PPAC-800的TGA曲线（支持信息图S2）显示随着温度升高重量逐渐减少。较低温度下的初始轻微失重是由于吸附水分和轻挥发性物质的去除[31]。中等温度下的进一步适度失重主要与表面

结论

在本研究中，豌豆皮生物质通过KOH活化在800°C退火温度下转化为活性炭。该活性炭表现出高度多孔的杂原子掺杂纳米结构，比表面积为1460 m² g^?1。快速吸附动力学研究得出结论，有害染料的吸附遵循准二级动力学。此外，其对溶液pH值的最小依赖性表明吸附机制是

CRediT作者贡献声明

Kanchan Parmar：撰写—初稿，方法论，调查研究，数据整理，概念化。Arkaj Singh：撰写—审阅与编辑，可视化，验证，形式化分析，数据整理。Harajyoti Thausen：可视化，验证，方法论，调查研究。Kamaljeet Nain：调查研究，形式化分析，数据整理。Aditi Halder：撰写—审阅与编辑，验证，监督，形式化分析，概念化。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

致谢

作者感谢教育部（MoE）提供资金支持。感谢先进材料研究中心（AMRC）和印度理工学院曼迪分校（IIT Mandi）提供用户设施。感谢DST FIST项目编号（SR/FST/CS-I/2017/20(C）提供CHNSO设施。第一作者还感谢喜马偕尔邦高等教育部授予研究假以完成本工作。

Kanchan Parmar|Arkaj Singh|Harajyoti Thausen|Kamaljeet Nain|Aditi Halder