利用纳米塑料和铜离子的双向协同作用，制备具有优异金属分散性能的生物炭基储能材料

《Journal of Colloid and Interface Science》：Leveraging bidirectional synergy of nano-plastics and copper ions to prepare biochar-based energy storage materials with enhanced metal dispersion

　　

牛建洲|王向亚|曾焕中|李金玲|牛胜涛|王大慧|范然

兰州理工大学材料科学与工程学院储能研究所，有色金属先进加工与回收国家重点实验室，绿色能源与储能学院，兰州730050，中国

摘要

碳/金属复合材料在超级电容器电极方面具有显著的性能和稳定性优势。然而，传统方法难以同时实现高金属含量和在碳骨架中的均匀分散，这两者都严重影响了储能性能和循环稳定性。此外，如果处理不当，废弃的生物炭吸附剂可能会带来二次污染风险。为了解决这些问题，通过研究纳米塑料和水系统中铜离子之间的双向促进作用，提高了纳米塑料的铜离子负载能力：纳米塑料表面的铜离子会促进其热氧化分解。同时，热氧化分解产生的含氧功能基团增强了纳米塑料与铜离子之间的相互作用，使其表面能够负载更多的铜离子，从而形成了一个正反馈循环。随后，通过纳米-微米混合尺度热解和活化处理纳米塑料系统与生物炭，最终得到了碳/氧化铜复合材料（CPC/CuO_x），该材料具有高比表面积，同时实现了高金属分散度和高金属含量。作为超级电容器电极，CPC/CuO_x在0.5 A·g^?1的电流下表现出744 F·g^?1

引言

近年来，随着全球对环保可再生能源需求的增长，储能和转换技术已成为关键的发展焦点[1],[2]。其中，超级电容器作为一种新型储能装置，具有高功率、长循环寿命、低成本和高安全性的优点[3],[4]。基于碳的材料因其优异的导电性、可调的比表面积、出色的化学稳定性和循环寿命、相对较低的成本以及良好的加工性，成为最典型和成熟的超级电容器电极材料[5]。然而，它们的核心限制是能量密度较低，难以满足许多储能应用的放电要求[5],[6]。当前的研究重点在于开发新型多孔碳材料、引入杂原子掺杂以及与赝电容材料的复合，这些方法旨在有效提高能量密度，同时保留碳材料的固有优势[5],[7],[8]。特别是，将基于碳的材料与赝电容材料复合是目前提高超级电容器能量密度最有效的方法[9],[10],[11]。这种方法结合了双电层存储和法拉第赝电容存储的优点，同时实现了高功率密度、高能量密度和长循环寿命[12],[13],[14],[15]。

氧化铜（CuO和Cu₂O）是典型的赝电容材料，其储能机制依赖于在表面或接近表面发生的快速可逆法拉第氧化还原反应[16]。它们具有高理论容量（1,800 F·g^?1和2,248 F·g^?1

最近，通过刻意调控分子间和界面相互作用来调节电化学性能，而不是采用复杂的合成路线，已成为储能系统中的有效策略[22],[23]。在这种相互作用驱动的范式中，水环境中自然存在的污染物-污染物相互作用可以被视为调节基于碳的能源材料结构和功能的潜在手段。

因此，本研究通过探索纳米塑料（NPs）与水相中铜离子之间的双向促进作用，提高了纳米塑料的铜离子负载能力。一方面，纳米塑料表面的铜离子会促进其热氧化和分解；另一方面，热氧化分解产生的含氧功能基团增强了纳米塑料与铜离子之间的相互作用，使更多的铜离子能够在其表面化学结合并固定。这种相互促进的关系形成了一个正反馈循环。鉴于分散在水介质中的纳米塑料构成了一种聚合物胶体系统，这种行为反映了聚合物胶体与金属离子之间的双向界面相互作用。与传统的静态吸附过程不同，这种相互作用突出了热化学条件下胶体-金属界面的动态特性。通过充分利用纳米塑料的载体功能，并结合生物质进行纳米-微米混合尺度热解，可以在材料中形成连续的导电碳网络。同时，由于空间限制效应，氧化铜在碳骨架中分散并固定，使得生物炭/氧化铜复合材料CPC/CuO_x具有高比表面积和层次孔结构，实现了高金属化合物的分散性和高金属含量。这一策略显著提高了材料中的铜含量，铜以小尺寸纳米颗粒的形式均匀分布在碳骨架中，实现了高金属含量与高分散性的平衡。作为一种活性材料，它在0.5 A·g^?1?1?1?1

章节摘录

化学物质和材料

羧基聚苯乙烯纳米塑料（PS NPs，粒径50 nm，江苏智川科技有限公司）、五水合硫酸铜（CuSO₄·5H₂O，AR级，Aladdin试剂）、硝酸（HNO₃，65–68 wt%，四川西龙科技有限公司）、硫酸（H₂SO₄，95–98 wt%，Aladdin试剂、氢氧化钾（KOH，AR级，Aladdin试剂）、苯乙烯（St，AR级，Sinopharm化学试剂）、过硫酸钾（KPS，AR级，Sinopharm化学试剂、苯乙烯磺酸钠（SSNa，AR级，Aladdin试剂）。

结果与讨论

图1展示了CPC/CuO_x的制备过程。如图1a所示，玉米芯衍生的水热碳微球（CC）和聚苯乙烯纳米塑料（PS NPs）分别在加热条件下从水溶液中吸附微米级和纳米级的铜离子（Cu²⁺），随着吸附过程的进行，溶液中的Cu²⁺逐渐被吸附到这两种固体的表面。由于PS NPs表面缺乏功能基团，吸附

结论

总之，通过研究纳米塑料（NPs）与水相中铜离子之间的双向促进作用，提高了纳米塑料的铜离子负载能力，这种相互促进的关系形成了一个正反馈循环：（i）纳米塑料表面的铜离子促进了它们的热氧化分解；（ii）热氧化分解产生的含氧功能基团增强了纳米塑料与铜离子之间的相互作用，使其表面能够负载更多的铜离子

CRediT作者贡献声明

牛建洲：撰写——原始草稿、软件、方法论、实验研究、数据分析、概念化。王向亚：数据分析、概念化。曾焕中：实验研究。李金玲：方法论。牛胜涛：软件支持。王大慧：资源获取。范然：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目协调、资金争取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金（52463013、52503180）、中国博士后科学基金（2025MD774093）、甘肃省教育厅的甘肃省科技计划（25JRRA135）以及兰州市科技计划（2025-2-56）的支持。