从夏威夷果壳制备出的优质微孔电极具有出色的能效和伪电容吸附性能

《Journal of Environmental Management》：Excellent energy efficiency and pseudocapacitve adsorption in superior microporous electrodes derived from macadamia seed shells

本研究首次利用夏威夷果壳通过响应面法优化的一步碳化-活化制备MSS-AC电极，实现高比表面积（808.27 m2/g）、优异微孔结构（81.69%）及长循环稳定性（3000次后电容保持96.44%）。电极在1.0 mV/s下展现1004.65 F/g比电容、167.98 Wh/kg能量密度和7199.99 W/kg功率密度，低扩散电阻0.10 Ω，伪电容贡献达48.16%，盐吸附容量34.49 mg/g，证实其MCDI应用潜力。

　　

阮鸿丹 | 阮乐柳

越南胡志明市国立大学环境与资源研究所，胡志明市，740500

摘要

膜电容去离子化（MCDI）是一种有前景的海水淡化技术，近年来受到了广泛关注。寻找具有高盐吸附能力（SAC）的新型可持续材料用于MCDI电极一直是主要的研究焦点。在这项研究中，首次使用响应面方法（RSM）确定的最佳制备条件，从夏威夷果壳衍生活性炭（MSS-AC）制备了MCDI电极。结果表明，MSS-AC电极具有较高的比表面积（808.27 m2 g?1）和优异的微孔性（81.69%），在1.0 mV s?1的电流密度下比电容达到1004.65 F g?1，并在3000次恒电流充放电（GCD）循环后仍保持96.44%的电容保持率。此外，它还表现出出色的电化学性能，能量密度（Ed）为167.98 Wh·kg?1，功率密度（Pd）为7199.99 W kg?1，扩散电阻仅为0.10 Ω。MSS-AC电极还表现出明显的赝电容行为，这归因于离子插入和表面氧化还原反应，在1.0 mV s?1的电流密度下贡献了48.16%的电容增加，并在初始盐浓度为476.46 mg L?1时实现了34.49 mg g?1的盐吸附能力。这些结果表明，MSS-AC是一种有前途的MCDI电极材料。

引言

盐碱入侵是一个紧迫的环境问题，近年来引起了全球的广泛关注。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的估计，约有100个国家受到了盐碱入侵的影响，其中约50%的农业用地（约8.33亿公顷）受到了负面影响（Nguyen等人，2021年）。受影响最严重的地区包括孟加拉国的恒河-布拉马普特拉河三角洲，约4530平方公里（43%）的农业用地被盐水入侵破坏（Rabbani等人，2013年）。在中国，黄河三角洲地区约有83.22%的土地受到了严重影响，预计这一比例在未来还会增加（Haonan等人，2025年）。在越南，湄公河三角洲是受影响最严重的地区，预计到2030年盐度将增加50-90%，对农业、生态系统、生计和日常淡水供应构成严重威胁（Tran等人，2021年，2024年）。据估计，2024年卡茂省和本特雷省约有57,000公顷的农业用地受到负面影响，约40,000户家庭缺乏淡水供应（Tran等人，2024年）。因此，寻找有效的解决方案以应对盐碱入侵并确保可持续的淡水供应已成为当务之急。传统的海水淡化技术，如热蒸馏（TD）（Mekidiche等人，2025年）、膜蒸馏（MD）（Bousmaha等人，2025年）和电渗析反向（EDR）（Easley等人，2023年）已被广泛应用；然而，这些技术面临着高能耗和有限的水回收率等挑战（Dan和Luu，2024年；Wang等人，2024年）。膜电容去离子化（MCDI）由于其高水回收率（≥70%）、低能耗（1.2 V）、环保性和优异的电极可再生性（Dan和Luu，2024年；Gou等人，2020年；Wang等人，2024年），是一种有前景的海水淡化技术。然而，MCDI技术仍面临一些挑战，如进水盐浓度有限、效率中等以及由于处于发展初期而导致的高投资成本；因此，选择合适的电极材料对于解决这些问题至关重要。MCDI系统中的电极材料主要有三种类型：基于生物质的（Guo等人，2024b；Huang等人，2025年；Luu等人，2024年）、金属有机框架（MOFs）（Ding等人，2025年；Fu等人，2025年）、赝电容基材料（Fu等人，2025年；Xu等人，2024年）和超级电容器材料（类似电池的）（Dan等人，2025年）。赝电容材料由于其氧化还原反应和离子插入机制，能够实现较高的淡化能力（50-100 mg g?1）（Dan等人，2025年）。然而，它们也面临成本高、制备工艺复杂以及难以大规模应用等挑战（Dai等人，2022年；Wang等人，2024年）。与此同时，从农业副产品中提取的活性炭（AC）是一种有前景的电极材料，因为它制备工艺简单、来源广泛、成本低廉且环保（Dan和Luu，2024年；Gou等人，2020年；Xie等人，2023年）。尽管之前的研究试图提高某些农业副产品的淡化性能，如黄麻纤维（Manasa等人，2020年）、平菇（Kang等人，2024年）、Gardenia Jasminoides Ellis（Qin等人，2021年）、枣椰子种子（Ayaz等人，2025年）、Osmanthus fragrans 花（Wu等人，2025年）、香蕉叶（Balasubramanian等人，2025年）、Borassus flabellifer（Raj等人，2020年）、小麦秸秆（Gou等人，2020年）和Paulownia 锯末（Liu等人，2013年），但效果有限。农业副产品的化学成分和结构的变化也会显著影响AC的性能和淡化效果，这需要进一步研究（Wang等人，2024年）。在农业副产品中，夏威夷果壳（MSS）是一种潜在的前体材料，其结构致密，碳含量高达57.5%（Jun-Seok和Su，2013年）。大多数先前的研究主要使用MSS制备用于传统吸附应用的活性炭，如CO?捕获（Jun-Seok和Su，2013年）、邻苯二甲酸酯去除（Baloyi等人，2025年）、亚甲蓝去除（Dao和Luu，2020年）、Zn2?离子吸附（Minh-Trung等人，2021年），而将其应用于MCDI电极的研究尚未报道。从农业副产品制备活性炭的方法主要有两种：（i）间接法，包括单独的碳化和活化步骤；（ii）直接法，同时进行碳化和活化（Dan和Luu，2024年）。同时碳化/活化是一种新的制备方法，可以减少活化时间并产生高孔隙率的材料。典型的活化剂包括碱性化合物（KOH、NaOH、Na?CO?、K?CO?、ZnCl?）、酸性化合物（H?SO?、HNO?、H?PO?）和物理活化剂（CO?、N?）（Dao和Luu，2020年；Haider等人，2025年；Lei等人，2021年；Vinayagam等人，2021年）。其中，NaOH是一种有前途的活化剂，因为它所需的活化温度低于其他活化剂。活化反应可以用方程式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）来描述（Dan和Luu，2024年；Lei等人，2025年）。$2N_2{C}_3\to {2N}_2\mathrm{O}$$2N_2{C}_3\to {2N}_2\mathrm{O}$$2N_2{C}_3\to {2N}_2$$2N_2{C}_3\to {2N}_2$