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采用废弃Adhatoda vasica叶为原料，通过NH4Cl化学活化与 melamine氮源协同掺杂，在氩气氛围下制备出不同热解温度的氮氧共掺杂石墨碳材料。ALM-900（900℃）展现出1080 m2/g的高比表面积，在氧还原反应中具有与Pt/C相当的起限电位1.00 V和电流密度-5.97 mA/cm2，同时作为锂离子电池负极表现出509 mAh/g的高比容量，且对称超级电容器能量密度达8.8 kWh/kg。该研究为生物质资源的高效转化及多功能储能材料开发提供了新策略。
阿维纳什·夏尔马（Avinash Sharma）| 普贾（Pooja）| 拉文德·帕瓦尔（Ravinder Pawar）| 雅达吉里·奈克·巴诺图（Yadagiri Naik Banothu）| 穆库尔·普拉丹（Mukul Pradhan）
印度特伦甘纳邦瓦朗加尔国家技术学院（National Institute of Technology, Warangal, Telangana）化学系，邮编506004
摘要
开发高效且多功能材料对于能源转换和储存技术至关重要，尤其是在对可持续和低成本能源解决方案需求不断增加的背景下。本研究利用废弃的Adhatoda vasica叶子合成了氮掺杂的石墨碳，采用了一种经济高效的化学活化方法和外部氮掺杂策略，并在惰性氩气氛围下进行不同温度下的热解处理。在900°C下热解得到的ALM-900材料表现出1080 m2/g的高比表面积（SSA），含有82.48 at%的碳（C）、9.78 at%的氮（N）和7.74 at%的氧（O）原子。在电催化氧还原（ORR）研究中，ALM-900的起始电位（E_onset）为1.00 V，电流密度（J_L）为-5.97 mA/cm2，与标准ORR催化剂（10 wt% Pt/C，起始电位1.00 V，电流密度-5.45 mA/cm2）相当。ALM-900还作为锂离子电池（LIBs）的阳极材料进行了测试，在0.05 C电流下显示出509 mAh/g的比容量，且库仑效率达到100%。此外，在使用凝胶电解质的对称超级电容器（ALM-900//ALM-900）装置中，其能量密度和功率密度分别为8.8 kWh/kg和412 W/kg。本工作突显了生物废弃物叶子作为能源转换和储存系统可持续前体的战略价值。
引言
全球人口的快速增长以及技术的持续进步极大地增加了能源消耗。由于世界仍然严重依赖逐渐枯竭的不可再生能源（化石燃料），因此科学界加大了开发清洁、可持续、低成本且环保的能源解决方案的力度[[1], [2], [3]]。在这方面，能源转换和储存与能源采集本身同样重要。各种先进的电化学储能和转换技术，如电池、超级电容器和燃料电池，被用于满足对可持续能源解决方案日益增长的需求[4]。在燃料电池中，系统通过两个主要的电化学反应过程运行：阳极处的氢氧化和阴极处的氧还原[5]。由于阴极处的ORR反应动力学较慢（这是由于其复杂的多电子转移机制），商业燃料电池中广泛使用碳载铂（Pt/C）作为电催化剂以提高性能[6]。然而，其高昂的成本、对甲醇渗透的敏感性以及较差的长期稳定性仍然是其广泛应用的主要障碍[7]。此外，超级电容器（SCs）是现代储能系统中的关键组成部分，有效填补了传统电容器和电池之间的空白[8]。锂离子电池（LIBs）因其高能量密度和长循环寿命而成为可持续能源系统中的重要候选者[9]。它们的关键组成部分包括阴极、阳极和电解质，每个部分都对设备的整体性能起着重要作用。例如，LIBs中使用的阳极材料根据储锂方式分为三类：插层型材料（主要是基于碳的）、转化型材料（如各种过渡金属氧化物）和合金型材料（如硅、锗和锡）[[10], [11], [12]]。因此，基于碳的材料的合成已成为提高设备效率和性能的研究方向之一。碳材料具有优异的电导率、高表面积、窄带隙和多孔性，这些特性促进了电荷的有效传输[13]。生物质因其低成本、丰富性以及在废物管理中的作用而成为合成石墨碳的理想选择。已采用多种方法（包括化学活化、模板化和热解）将生物质转化为石墨碳[14]。多种生物质材料，包括核桃壳[15]、稻壳[16]、竹纤维[17]、蒲公英籽[18]、蒲公英花[19]、西米树皮[20]、Tecoma[21]和 agarwood 叶子[5]，已被研究其作为高效能源相关应用的潜力。Adhatoda vasica叶子含有多种生物活性化合物，如皂苷、黄酮类、生物碱、酚类化合物和苷类等。此外，还含有少量的硫（S）和磷（P），以及钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）、钠（Na）和硅（Si）等微量无机元素[[22], [23], [24]]。将硼（B）、氮（N）、硫（S）和磷（P）等元素引入碳结构中可以引入缺陷并创建活性位点，从而增强电子传输并显著提高导电性[[25], [26], [27]]。由于氮（N）的原子半径与碳相近，因此在掺杂过程中更常被使用，这有助于避免显著的晶格失配[28]。各种富含氮的化合物，如尿素、1,2-二甲基-3-丙基咪唑鎓碘化物、乙腈、硫脲和三聚氰胺等，被用作氮掺杂源[26,27,[29], [30], [31]]。其中，三聚氰胺因其高氮含量而在多种应用中被广泛认为是氮掺杂的理想来源[32]。研究表明，氮的多种功能基团（如吡啶氮、吡咯氮和石墨氮）在ORR、超级电容器和锂离子电池的电催化性能中起着重要作用[33,34]。氮掺杂在碳结构中创建了额外的氧化还原活性位点，使超级电容器同时具备赝电容行为和电双层电容器（EDLC）类型的电荷存储能力。除了异原子掺杂外，碳材料的电化学性能还受到其表面积和多孔性的强烈影响，而这些主要取决于活化过程。通过适当的化学活化处理，可以增强合成材料的多孔性和表面积。例如，NH?Cl、K?CO?、KOH、ZnCl?、NaCl、KCl和H?PO?等化学活化试剂促进了高表面积的多尺度多孔结构的形成，从而提高了离子传输和存储容量[21,26,35]。其中，NH?Cl因其低成本、强蚀刻效果、增孔性能以及通过暴露额外活性位点来提升电化学反应性而被广泛使用，且毒性较低。过程中释放的氨气有助于形成多孔性，而生成的HCl则增强了蚀刻效果[21,36]。研究表明，异原子掺杂和活化的良好整合能够协同提升电化学性能[28]。
在本研究中，使用低成本的NH?Cl作为活化剂和三聚氰胺作为氮源，在Ar气氛下，于不同温度（700、800、900和950°C）从Adhatoda vasica叶子合成了掺杂有氮（N）和氧（O）的石墨碳。所得材料通过PXRD、拉曼光谱（Raman spectroscopy）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、比表面积（BET）和X射线光电子能谱（XPS）进行了进一步表征。与标准10 wt% Pt/C催化剂在0.1 M O?饱和KOH溶液中的性能相比，ALM-900在电流密度（J_L）、半高电位（E_1/2）、起始电位（E_onset）和稳定性方面表现出更优的性能。当ALM-800、900和950材料用作LIBs的阳极材料时，在0.05 C电流下分别显示出351、509和107 mAh/g的比容量。此外，在使用1 M H?SO?和1 M Na?SO?水溶液的三电极装置中，通过循环伏安（CV，10 mV/s）和恒电流放电（GCD，1 A/g）测量得到的ALM-900的比容量分别为：在1 M H?SO?中为700 F/g和289 F/g，在1 M Na?SO?中为506 F/g和200 F/g。
首先收集Adhatoda vasica的废弃叶子并用蒸馏水清洗以去除表面污染物，然后在阳光下晾干后研磨成细粉。将1克这种细粉与1克NH?Cl及几滴蒸馏水混合在研钵中，充分混合后放入真空烤箱中在80°C下干燥12小时。随后将干燥后的物质与1克三聚氰胺混合并分散。
使用Cu Kα辐射在2θ范围10-60°内记录了合成材料的PXRD图谱。两个宽的衍射峰分别出现在2θ ≈25°和≈44°，对应于（002）和（100）晶面。这些峰表明存在非晶态石墨碳，如图1a所示。此外，为了评估合成材料的结构特性，我们进行了拉曼光谱分析，发现三个主要峰位于1348、1608和2748 cm?1处。
在本研究中，我们通过两步活化过程从废弃的Adhatoda vasica叶子合成了掺杂有异原子的石墨碳，随后在不同温度下进行热解。在900°C下制备的ALM-900显示出最高的比表面积（1080 m2/g）和最佳的氮（N）含量（9.78 at%）。ALM-900在ORR中表现出优异的催化性能，是LIBs中高效的阳极材料，并适用于对称超级电容器中的电极材料。在ORR的电催化研究中，ALM-900...
阿维纳什·夏尔马（Avinash Sharma）：撰写——审稿与编辑、原始稿撰写、软件使用、资源获取、方法论设计、数据分析、概念构思。
普贾（Pooja）：撰写——审稿与编辑、软件使用、数据管理。
拉文德·帕瓦尔（Ravinder Pawar）：撰写——审稿与编辑、软件使用、数据管理。
雅达吉里·奈克·巴诺图（Yadagiri Naik Banothu）：数据管理。
穆库尔·普拉丹（Mukul Pradhan）：原始稿撰写、监督、资源获取、资金争取。
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：印度新德里的DRDO为瓦朗加尔国家技术学院提供了财务支持。作者声明没有其他可能影响报告工作的已知财务利益或个人关系。
作者感谢瓦朗加尔国家技术学院的化学系提供的研究平台。A. Sharma感谢瓦朗加尔国家技术学院和MHRD提供的高级研究奖学金。感谢印度新德里的DRDO（ERIP/ER/202308001/M/01/1838）提供的财务支持。
