《Journal of Energy Storage》：Advances in sustainable plant-based nanomaterials for supercapacitors
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可持续纳米材料在超级电容器中的应用进展，重点分析植物基纳米材料的合成方法（如溶剂-free碳化、微波辅助热解）、性能优势（高比电容、环境友好）及现存挑战（规模化生产、批次稳定性）。
G. 马亨德兰 | 马蒂亚扎加南·纳拉亚南 | 阿里瓦拉甘·普加詹迪
印度泰米尔纳德邦金奈，金奈理工学院机械工程系振动测试与分析中心，邮编600069
摘要
最近，基于可持续纳米材料（SNMs）的超电容器（SC）研究在研究人员中引起了兴趣，主要集中在能量存储领域。尽管标准电极材料有效，但由于其有害影响和不可生物降解的特性，也会对环境健康造成问题。因此，寻找可持续的、基于生物的纳米材料（NMs）作为SC和其他能量存储用途的研究替代品被认为是一个可行的选择。植物基纳米材料因其可调节的物理化学性质、生物相容性和最小环境影响而表现出显著的优势。无溶剂碳化、微波辅助热解以及使用生物模板制备纳米结构等可持续方法的应用，能够确保合成出具有优异形态和电化学性质的纳米结构电极材料。植物化学物质如生物碱、黄酮类、皂苷、萜类、单宁和多酚等作为优良的还原剂和稳定剂，对纳米材料的形态、结晶性质和表面特性起着关键作用，这些因素直接影响SC中的能量存储和传输过程。了解植物化学物质的结构和化学性质对于提高其电化学活性至关重要。本文综述了植物基纳米材料在SC电极方面的最新进展，重点介绍了它们的组成、结构特性和能量存储潜力。此外，还分析了绿色合成纳米材料（银、金和铁）以及复合材料在提升能量存储能力方面的作用，以及改变其电化学特性的关键合成工艺。同时，本文还探讨了将植物基纳米材料整合到可扩展SC方法中的挑战，并对未来更先进、更可持续的电极基材的发展提供了见解。
引言
可持续能源方法正在迅速发展，全球正逐渐向低碳经济转型，这凸显了可持续能源存储应用的需求[1]。由于超电容器（SC）具有较高的能量密度、较长的生命周期以及快速的充放电速率，因此成为一种可持续的能源存储方式。然而，传统电极材料的性能和耐久性限制了其广泛应用[2]。标准的电极组成包括导电聚合物、过渡金属氧化物（TMOs）和活性炭，但这些材料存在一定的局限性。尽管活性炭具有较大的表面积，但通常电导率较低，电容值也有限，一般在80到200 F g?1之间[3]。尽管TMOs（NiCo?O?和MnO?）的赝电容有所提高，但仍面临循环稳定性差和生产成本高的问题[4]。此外，许多传统电极材料由于不可生物降解、有毒性和制造过程中的高能耗而存在环境问题[5]。许多过渡金属氧化物在制造过程中会释放重金属，对环境造成危害[6]。因此，需要研究更加可持续、经济且环保的替代品。植物基纳米材料和生物废弃物来源的碳材料作为SC电极的纳米材料受到了广泛关注[7]。它们具有有机丰富性、可调节的孔隙结构、功能性官能团以及固有的生物降解性等优点，使其成为传统电极的理想替代品。生物质来源的碳材料可以形成较大的比表面积（>2000 m2 g?1），同时具有较高的电化学活性[8][9]。例如，从稻壳中提取的碳在非对称SC中的电容值为312 F g?1，能量密度为22 Wh kg?1；而从生物废弃物中提取的碳与3D NiCo?O?纳米结构结合使用时，电容值可达540 F g?1，在1 A g?1的电流下经过10,000次循环后仍能保持94%的容量[10][11]。这些结果表明，基于生物质的制备方法具有很好的可扩展性，并优于许多传统活性炭。在纳米材料的合成过程中，植物化学物质如黄酮类、生物碱、多酚和萜类化合物可作为还原剂和封端剂，影响最终材料的稳定性、表面活性和电化学活性。结合生物基碳与TMOs或导电聚合物的混合系统的能量存储容量、导电性能和可靠性表现出协同效应[12]。尽管无粘合剂的TMOs纳米复合材料目前已实现超过1000 F g?1的电容值，但在生产和环境方面仍面临挑战[13][14]。另一方面，植物基纳米材料为环境提供了更少危害的可持续替代方案，同时保持了相同的电化学活性。现代工业突破使得SC电极的大规模制造成为可能，包括碳基和生物基材料的试点规模生产以及混合复合材料的经济组合[15]。尽管取得了这些进展，但仍存在一些挑战，如不可生物降解材料的使用限制和潜在的环境风险，导致生产成本高、能量密度低等问题[16]。关于批次间差异、重复性和表面化学性质的变化可能会影响植物基纳米材料和其他纳米材料的电化学性能，尽管它们具有可持续性、较大的比表面积和可变的孔隙结构[17]。绿色合成方法（如溶剂热法、水热法和热解法）的多功能性限制了这些技术在学术界到工业界的应用[18]。利用植物基纳米材料来解决这些问题是目前研究的主要焦点，因为这对于开发高活性、环保的SC至关重要。本文旨在全面分析用于SC的纳米材料，重点讨论它们的特性、性能、面临的挑战以及提高能量存储效率的潜在解决方案。
超电容器（SC）概述
与电池组相比，SC在性能上表现出显著优势，但电池在快速充放电循环方面存在效率低下问题[19]。电池的生命周期较短，通常作为SC和燃料电池之间的中间体。SC具有更高的电容值、更高的功率密度、更宽的工作温度范围以及更强的耐用性[20]（图1）。
用于SC的纳米材料（SNMs）的最新进展
最近的研究进展，如复合材料的开发、异原子掺杂以及SNMs孔隙结构和形态的改变，促进了超电容器（SC）的优异耐用性和环保性能[2]。一个值得注意的进展是通过两步催化热解方法将可回收塑料转化为还原氧化石墨烯（rGO）[41]。rGO作为基底，促进了NiCo?O?/Li-xMO?纳米棒的生长，形成了NiCo?O?/Li-xMO?@rGO纳米复合材料
用于SC的纳米材料（SNMs）
由于超电容器具有较高的能量密度、快速的充放电速率和较长的使用寿命，其在可再生能源领域的应用受到了广泛关注[59]。然而，传统材料如活性炭、过渡金属氧化物（TMOs）和导电聚合物在制造过程中往往会对环境造成问题[3]。研究人员正在积极研究纳米材料，以提升SC的性能并减少环境影响
金属氧化物（MOs）和金属氢氧化物
电极是固态电池系统的重要组成部分，直接影响其电化学性能。科学家们专注于使用TMOs、导电聚合物和双氢氧化物（Ni/Mn）等赝电容器材料来改进超电容器的性能[93]。尽管TMOs和氢氧化物被认为是最有潜力的材料，但由于电导率较低，它们的循环稳定性通常较差[95]。
可持续纳米材料（SNMs）
在日益严重的环境问题、快速的科学进步和资源短缺的背景下，纳米材料（SNMs）作为一种结合纳米技术优势和可持续性的新材料受到关注[9]。这类材料能够在能源存储、电子、农业、医疗和水处理等领域发挥重要作用，同时促进循环经济和低碳经济的发展[124]。
纳米材料（RM）应用中的障碍及潜在解决方案
尽管纳米材料具有许多优点，但在应用于SC时仍存在一些问题：材料性能的波动可能导致性能不稳定。为了去除杂质并恢复所需特性，回收材料通常需要经过彻底处理[164]。与高品质工业材料相比，未经充分处理的回收材料可能无法保持原有的电学性能。因此，需要标准化工业规模的处理流程
未来展望
本文综述了可持续合成纳米材料在SC领域的最新进展。当前的技术应用已取得显著成效，但对阳离子和阴离子电致变色物质及电解质的改进有助于提升SC的性能，特别是在利用可再生能源方面
结论
近年来，纳米材料的可持续合成技术取得了显著进展。传统的合成方法需要大量能量并使用有害物质，增加了产生毒性问题的风险。采用环保的合成方法可以降低这一风险，因为非毒性化合物可以替代金属盐
CRediT作者贡献声明
G. 马亨德兰： 负责初稿撰写和概念构思。
马蒂亚扎加南·纳拉亚南： 负责初稿撰写。
阿里瓦拉甘·普加詹迪： 负责审稿和编辑工作，以及整体指导。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
所有作者参与了研究的构思和设计，包括材料制备、数据收集与分析工作。所有作者均审阅并认可了最终稿件。感谢SIMATS提供的持续支持。
