點(diǎn)“星標(biāo)”暫存文章，查找更方便！

環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

Getty Image & Plantura Magazine

撰文：Bell

編輯：小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的1870篇原創(chuàng)

隨著全球?qū)稍偕茉创鎯?chǔ)需求的日益迫切，為了尋求高性能儲(chǔ)能材料，科學(xué)家們將目光投向了“垃圾”和“生物廢料”。

無(wú)論是污染環(huán)境的廢棄煙頭，還是安神助眠的薰衣草，都在科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室里，成為了可能改變未來(lái)能源格局的關(guān)鍵材料。

先來(lái)看看那個(gè)讓人頭疼的環(huán)境污染源——煙頭，全球每年丟棄量高達(dá)約800萬(wàn)噸，亟需對(duì)其進(jìn)行綠色高效的利用改造。

煙頭主要由纖維素和醋酸纖維素構(gòu)成，極難降解，還會(huì)向土壤中釋放重金屬，是典型的頑固垃圾。

而來(lái)自中國(guó)河南大學(xué)的一支研究團(tuán)隊(duì)卻從中看到了“寶藏”。他們發(fā)現(xiàn)，煙蒂中的纖維素結(jié)構(gòu)恰恰是制備多孔碳材料的理想前驅(qū)體，可應(yīng)用于高性能儲(chǔ)能系統(tǒng)。

生物炭基多孔材料通常具有高比表面積、高石墨化程度以及良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，是制備雙電層電容器（EDLC）電極材料的理想選擇。

來(lái)源：10.48130/een-0025-0016

團(tuán)隊(duì)通過(guò)一種稱(chēng)為“水熱碳化-熱解活化”的工藝，將煙蒂這種有毒垃圾轉(zhuǎn)化為氮氧共摻雜的多級(jí)納米多孔生物炭（簡(jiǎn)稱(chēng)CNPB）。

研究團(tuán)隊(duì)先對(duì)煙蒂進(jìn)行了預(yù)處理，去除殘留煙灰和雜質(zhì)。然后將所得煙蒂粉碎成蓬松狀，在60℃下干燥2小時(shí)，并在使用前儲(chǔ)存于快速玻璃干燥器中。

然后，這些煙蒂被置于水熱反應(yīng)釜中，在高溫高壓水熱條件下“煮”成碳球，再將反應(yīng)混合物過(guò)濾用乙醇和去離子水徹底洗滌固體殘?jiān)?/p>

最后，研究人員加入了化學(xué)蝕刻劑，并將這些廢料于管式爐中加熱到700℃，使致密的碳球像爆米花一樣爆開(kāi)，形成微觀上類(lèi)似蜂巢的三維多孔結(jié)構(gòu)。

這種材料具有驚人的比表面積——每克超過(guò)2000平方米（2133.5 m2 g?1），巨大的表面積允許離子可以以閃電般的速度快速進(jìn)出。

來(lái)源：10.48130/een-0025-0016

同時(shí)，摻雜的氮和氧原子還能有效提升材料的導(dǎo)電性，使該材料能夠?qū)崿F(xiàn)高比電容。

最終得到的材料CNPB-700-4，在超級(jí)電容器中展現(xiàn)出卓越的性能：在1安培每克的電流密度下，比電容高達(dá)344.91法拉每克。

而且，在經(jīng)過(guò)一萬(wàn)次充放電循環(huán)后，該系統(tǒng)仍然保持了95%以上的原始容量，壽命遠(yuǎn)超普通智能手機(jī)電池。

由這種材料組裝的對(duì)稱(chēng)超級(jí)電容器，能量密度和功率密度也達(dá)到了實(shí)用化水平，其功能特性非常適合高速任務(wù)，例如穩(wěn)定電網(wǎng)、提高電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)性能以及為便攜式設(shè)備供電。

這項(xiàng)研究不僅為解決煙蒂污染提供了新思路，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了“環(huán)境修復(fù)”與“高價(jià)值材料創(chuàng)造”的雙贏。

來(lái)源：Getty Image

如果說(shuō)改造煙頭是有害垃圾“變廢為寶”，那么將薰衣草花梗轉(zhuǎn)化為負(fù)極材料就是生物廢料的“煥發(fā)新生”。

薰衣草因其芳香而廣受喜愛(ài)，但其農(nóng)業(yè)殘余物——每年約1000至1500噸的花梗與廢料——卻常被忽視。

如今，一個(gè)由韓國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、伊諾努大學(xué)等高校研究員組成的國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)成功地將這些薰衣草花廢料轉(zhuǎn)化為硬碳材料，并用作鈉離子電池的負(fù)極。

來(lái)源：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2026.239365

鈉離子電池被視為鋰離子電池的一種重要補(bǔ)充，其原料鈉儲(chǔ)量豐富、成本低廉，適合大規(guī)模儲(chǔ)能。但如何獲得高性能、低成本的電極材料是關(guān)鍵。

硬碳（HC）是鈉離子電池中最常用的負(fù)極材料，其特點(diǎn)是具有無(wú)序的碳結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，科學(xué)家們致力于開(kāi)發(fā)新的HC生物來(lái)源，如稻殼、玉米秸稈、麥秸和椰子殼等。

這些木質(zhì)纖維素廢料不僅為獲取經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的材料提供了機(jī)會(huì)，還有助于解決農(nóng)業(yè)廢棄物管理問(wèn)題，同時(shí)減少碳化過(guò)程中的二氧化碳排放。

這一次，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地選擇了從土耳其當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)采購(gòu)的薰衣草花。

研究人員將薰衣草花廢料在高溫下碳化，成功制備出具有多孔表面結(jié)構(gòu)的硬碳負(fù)極。這種結(jié)構(gòu)保留了植物天然的微觀組織特征，有利于電解液的滲透和鈉離子的快速擴(kuò)散。

同時(shí)，他們開(kāi)發(fā)了一種與之匹配的正極材料——P2型層狀氧化物Na?.??Mn?.?Ni?.?O?，其中摻入的鎳有效提升了材料的導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

不過(guò)，使用這類(lèi)生物質(zhì)碳材料面臨一個(gè)普遍挑戰(zhàn)：初始的“鈉儲(chǔ)備”不足，會(huì)導(dǎo)致電池容量迅速衰減。

為此，科學(xué)家們像給電池“預(yù)充電”一樣，系統(tǒng)比較了三種“預(yù)鈉化”策略：直接接觸法、化學(xué)法和電化學(xué)法。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電化學(xué)預(yù)鈉化方法雖然操作上更復(fù)雜一些，卻能帶來(lái)最優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和能量密度。

在實(shí)驗(yàn)中，采用該方法的全電池在100次循環(huán)后仍能保持62%的容量，遠(yuǎn)優(yōu)于其他方法。

這項(xiàng)研究證明了，利用廣泛可得、可持續(xù)的植物廢料，完全可以構(gòu)建出有競(jìng)爭(zhēng)力的鈉離子電池體系，為全球能源轉(zhuǎn)型提供了兼具環(huán)保與經(jīng)濟(jì)效益的電極材料解決方案。

來(lái)源：Plantura Magazine

其實(shí)，無(wú)論是煙蒂還是薰衣草，本質(zhì)上都是含碳物質(zhì)，且微觀結(jié)構(gòu)適用于制造高性能電極材料。

科學(xué)家們的“腦洞”并非天馬行空，而是基于對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的深刻理解，

這兩項(xiàng)研究的共同精髓在于“升級(jí)再造”——將低價(jià)值甚至有害的廢棄物，通過(guò)精準(zhǔn)的化學(xué)與工程控制，轉(zhuǎn)化為具備高附加值的先進(jìn)功能材料。

未來(lái)，或許會(huì)有更多意想不到的材料將被送進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，變身為支撐智能電網(wǎng)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)、甚至點(diǎn)亮千家萬(wàn)戶的綠色能源載體。

Reference：

[1]https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/een-0025-0016

[2]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775326001151#undfig1

[3]https://interestingengineering.com/energy/cigarette-butts-recycle-energy-storage

[4]https://interestingengineering.com/energy/lavender-powered-sodium-batteries

[5]https://www.eurekalert.org/news-releases/1114544

熱門(mén)閱讀

（點(diǎn)擊圖片跳轉(zhuǎn)閱讀）