非导电离子萃取技术将生物质转化为双交联结构的高性能碳材料——替代商业活性炭与乙炔

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非导电离子萃取技术将生物质转化为双交联结构的高性能碳材料——替代商业活性炭与乙炔黑的新路径（DOI: 10.1016/j.est.2022.105043）

随着全球对绿色能源和可持续发展的关注不断加深，开发低成本、高性能、环境友好的储能材料成为研究热点。近期，来自济南大学的研究团队在《Journal of Energy Storage》上发表了一项创新研究，提出了一种基于农业废弃物——玉米秸秆的新型生物质碳材料制备方法。该方法通过非导电钙杂质的离子液相去除技术，成功构建出具有球形与二维石墨烯双交联结构的生物碳材料（YM），在电化学性能上可媲美商业活性炭（AC）和乙炔黑（AB），为绿色储能材料的发展开辟了新路径。

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一、研究背景：生物质碳的潜力与挑战
生物质碳因其来源广泛、成本低廉、环境友好，成为替代传统碳材料的有力候选。然而，天然生物质中常含有钙、硅等非导电杂质，严重影响其导电性和电化学性能。此外，传统活化方法存在能耗高、污染重、结构不可控等问题。因此，如何高效去除杂质并调控碳材料微观结构，是提升其性能的关键。

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二、创新方法：离子液相去除+水热碳化处理
本研究以玉米秸秆为原料，采用NH₄Cl辅助的水热碳化法，在高温高压条件下去除不溶性钙杂质（如草酸钙、碳酸钙），并通过后续高温退火处理，成功制备出具有高比表面积（1053.54 m²/g）和独特双交联结构的生物碳材料（YM）。其结构特点包括：

• 二维石墨烯状片层结构：提供高导电性和大比表面积；
• 球形碳颗粒嵌入其中：增强离子传输通道，提升结构稳定性；
• 多孔结构：有利于电解质渗透与电荷存储。
  

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三、性能表现：媲美商业碳材料1. 作为电极活性材料
在3M KOH电解液中，YM电极在1 A/g电流密度下的比电容达到113.4 F/g，接近商业活性炭（130.7 F/g），且其倍率性能和循环稳定性更优。在10 A/g高电流密度下，容量保持率仍达86.4%，优于AC（73.4%）。
2. 作为导电添加剂
YM还被用于替代商业乙炔黑（AB），与Fe₃O₄、Cu-Fe₃O₄、Ni₃S₂等活性材料复合制备电极。实验表明，YM在提升导电性、降低电荷转移阻抗方面表现优异，甚至优于AB。例如，在Fe₃O₄电极中，YM基电极的容量保持率为67%，高于AB基电极的66%。
3. 双重角色：同时替代AC与AB
在最终实验中，研究团队仅使用YM与粘结剂（PVDF）制备电极（YM91），其比电容高达145.1 F/g，在10,000次循环后容量保持率为98.25%。这表明YM具备同时作为活性材料与导电剂的双重能力，有望全面替代传统商业碳材料。

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四、结构表征：揭示性能提升机制
通过SEM、BET、XRD、Raman、XPS等多种表征手段，研究团队系统分析了YM的结构优势：

• SEM图像显示YM具有清晰的二维片层与球形结构，无明显团聚；
• BET测试表明YM具有更高的比表面积和更均匀的孔径分布；
• XRD与Raman证实其具有适度的石墨化程度与丰富的缺陷结构，有利于电荷传输；
• XPS分析显示钙杂质含量从0.31%降至0.06%，验证了杂质去除的有效性。
  

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五、研究意义与展望
本研究不仅提出了一种高效、绿色、低成本的生物质碳材料制备方法，还展示了其在超级电容器等储能器件中的广阔应用前景。YM材料在性能上可媲美甚至超越商业碳材料，同时具备以下优势：

• 原料来源广泛：农业废弃物玉米秸秆，资源丰富；
• 工艺简单环保：无需强酸强碱，绿色可持续；
• 结构可调性强：通过控制水热与退火条件，可实现结构优化；
• 多功能一体化：同时具备能量存储与导电增强功能。
  

未来，该技术有望推广至其他生物质原料（如稻壳、秸秆、果壳等），并进一步优化其电化学性能与规模化生产能力，为构建绿色能源存储体系提供坚实支撑。

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结语：
这项研究不仅为生物质资源的高值化利用提供了新思路，也为碳材料的绿色制备与性能调控树立了新标杆。在“双碳”目标驱动下，YM类生物碳材料或将成为下一代储能器件的核心材料之一，助力实现能源的可持续发展。