从辣木（Moringa Oleifera）中提取的活性炭用于增强氧化还原性能的固态超级电容器

《Materials Chemistry and Physics》：Moringa Oleifera-Derived Activated Carbon for Redox-Boosted Solid-State Supercapacitors

本研究采用ZnCl2辅助化学活化结合高温碳化法制备了从莫洛哥树花中提取的活性炭（MFAC），并利用离子液体凝胶聚合物电解质（EMImTCM/NaI/PVdF-HFP）构建了固态超级电容器。实验表明，MFAC的高比表面积（747.39 m2/g）和多层孔结构显著提升了电容性能，加入NaI后电容达到283 F/g，能量密度39 Wh/kg，循环稳定性良好（5000次后保持80%电容）。

　　

Sushant Kumar | Isha Kumari | Manoj K. Singh | Vinay Deep Punetha | Pawan Singh Dhapola | Monika Michalska | Markus Diantoro | Pramod K. Singh

印度哈里亚纳邦古鲁格拉姆Starex大学物理科学学院物理系，邮编122413

摘要

随着对可持续、高性能且环境友好的能源存储系统需求的不断增长，人们对源自生物废物的电极材料以及能够提高能量密度和设备安全性的先进固态电解质产生了浓厚兴趣。本研究介绍了一种创新方法：通过使用ZnCl₂辅助的化学活化技术从Moringa oleifera花朵中合成活性炭，随后进行碳化处理，从而开发出固态超级电容器。所得活性炭（MFAC）通过XRD、BET、拉曼光谱、SEM、TEM、EDX和XPS等手段进行了表征，证实其具有非晶结构、高比表面积以及良好的层状多孔形态。使用Moringa oleifera花朵作为碳前驱体不仅具有可再生性，而且其表面化学性质有利于电化学储能。

此外，还制备了一种氧化还原活性的非水凝胶聚合物电解质，该电解质以离子液体1-ethyl-3-methylimidazolium tricyanomethanide（EMImTCM）和碘化钠（NaI）为基础，结合聚（vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene）（PVdF-HFP）基质制成。实验中制备了两种对称结构的固态超级电容器：一种使用基础离子液体凝胶电解质（Cell#1），另一种添加了NaI作为氧化还原添加剂（Cell#2）。通过循环伏安法、恒电流充放电和电化学阻抗谱分析发现，Cell#2的性能显著提升，其比电容达到283 F g^-1，能量密度为39 Wh kg^-1，而Cell#1的比电容和能量密度分别为98 F g^-1和14 Wh kg^-1，这得益于碘离子介导的法拉第反应。此外，Cell#2在1 A g^-1

部分内容摘录

引言

在当今世界，能源消耗量日益增加，导致煤炭、石油等不可再生能源迅速枯竭。为解决这一问题，必须开发新的可再生能源。来自可再生能源的能量可以通过第二代锂电池、燃料电池和超级电容器等先进储能技术得到有效利用和储存[1]。这些储能设备具有独特的优势……

活性炭电极材料的制备

本文从印度大诺伊达周边地区收集了Moringa oleifera花朵作为生物质前驱体，通过碳化和化学活化过程制备活性炭粉末。文中总结了活性炭制备和活化的具体步骤：首先用双蒸水清洗花朵，并在100°C的热风烘箱中干燥约24小时；干燥后的花朵被粉碎成粉末。

源自Moringa oleifera花朵的活性炭表征

采用X射线衍射（XRD）对合成的活性炭进行了结构分析。图1(a)显示了Moringa oleifera花朵制成的活性炭的XRD图谱，其中在约25°和43°处出现了两个峰，分别对应非石墨碳结构的（002）和（100）晶面（JCPDS卡片编号41-1487）[5]。25°处的宽峰表明材料具有典型的多孔特性[39]；43°处的峰则进一步揭示了其复杂的孔结构。

结论

本研究通过ZnCl₂辅助的化学活化及高温碳化工艺成功制备了来自Moringa oleifera花朵的活性炭。该活性炭具有747.39 m² g^-1的高比表面积、层状微-介孔结构以及丰富的表面官能团，这些特性通过XRD、BET、拉曼光谱、SEM、TEM和XPS分析得到验证。XRD分析结果证实了活性炭的非晶性质。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

作者贡献说明

Sushant Kumar：撰写初稿、方法论设计、实验研究； Markus Diantoro：数据分析与解释； Pramod K. Singh：撰写、审稿与编辑、指导工作； Pawan Dhapola：数据可视化处理； Monika Michalska：数据分析与解释； Manoj Singh：撰写、审稿与编辑； Vinay Punetha：数据可视化处理； Isha Kumari：撰写、审稿与编辑。

未引用参考文献

[3], [4], [22], [26]

数据可用性声明

本研究生成和/或分析的数据集目前不对外公开，但可根据合理请求向相应作者获取。

资金声明

本论文的撰写未获得任何资助。

致谢

马朗国立大学（Universitas Negeri Malang）在高等教育、科学与技术部的支持下部分资助了本研究。

作者感谢北方邦科学技术委员会（CST-UP）在研发项目（批准编号：CST/E&T/D/801和CST/D-1311）中的财政支持。

作者还感谢捷克共和国技术局（TA?R）在ERA.NET项目（网址：http://M-ERA.NET/M-ERA.NET 3 Call 2024）下的支持。