从明胶化菠萝茎淀粉泡沫制备的微孔活性炭的生物质纳米结构，用于高性能超级电容器

《Journal of Energy Storage》：Biomass nanoarchitectonics of microporous activated carbon derived from gelatinized pineapple stem starch foam for high-performance supercapacitors

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　　在当今社会，随着可再生能源技术的不断发展，对高效、可持续的能源存储设备的需求也日益增加。由于传统的能源存储系统在能量密度和充放电速率方面存在一定的局限性，因此，开发新型高性能电极材料成为研究的重点。本文介绍了一种基于农业废弃物的碳前驱体，用于制备具有高电化学性能的电极材料，从而为能量存储系统提供了一种经济且环保的解决方案。

农业废弃物通常被视为一种资源浪费，然而，它们在某些情况下可以作为优质的碳前驱体。这类材料因其丰富的储量、易得性和低成本而受到广泛关注。例如，许多研究已经探索了玉米、甘薯、稻米、小麦等植物中淀粉作为碳前驱体的潜力。通过适当的化学活化和物理处理，这些淀粉可以转化为具有高度孔隙结构的活性炭材料，从而显著提升其在电化学储能中的性能。然而，这些材料的性能往往受到其原始结构和处理过程的影响，因此，如何优化这些材料的制备工艺，使其在能量密度和充放电速率方面达到最佳效果，是当前研究的关键。

在本文中，研究人员首次利用菠萝茎淀粉（Pineapple Stem Starch, PSS）作为碳前驱体，通过碳化和化学活化工艺制备出一种新型的活性炭材料，命名为SAC-800。这种材料不仅具备高比表面积，还表现出优异的电化学性能，这为可再生能源技术的应用提供了新的思路。SAC-800的比表面积高达2796 m2/g，这得益于KOH化学活化所引发的结构变化，使得其内部形成了大量微孔，从而提高了离子的吸附和传输能力。同时，SAC-800的比电容也表现出色，其在0.1 A/g的电流密度下，比电容达到了374 F/g；在5 A/g的电流密度下，比电容仍保持在86 F/g，这表明其具有良好的高倍率充放电能力。

此外，SAC-800在循环测试中也表现出了良好的稳定性。在3 A/g的电流密度下，经过12,000次循环后，其比电容仍能保持初始值的91%。这一结果表明，SAC-800不仅在性能上优于传统的活性炭材料，而且在使用寿命方面也具有显著优势。这主要得益于其结构设计和表面化学特性，使得其在多次充放电过程中能够保持较高的电荷存储能力。

菠萝茎淀粉作为一种农业废弃物，具有广泛的来源和易处理性。在泰国，菠萝种植面积超过64,000公顷，每年会产生大量的菠萝茎。这些茎通常在收获后被焚烧，导致空气污染。然而，研究表明，菠萝茎中含有约30%的淀粉，其干燥后的质量可达70,000吨/年。因此，将这些废弃物转化为高附加值的碳材料，不仅可以减少环境污染，还能为可持续发展提供支持。

在SAC-800的制备过程中，研究人员采用了一种基于淀粉结构特性的新型方法。首先，通过将菠萝茎淀粉溶液在特定温度下进行凝胶化处理，使得淀粉分子之间的氢键被破坏，从而形成一种具有良好可塑性的凝胶。随后，通过冷冻处理诱导淀粉的回退过程，这一过程有助于形成更加有序的分子结构。接着，使用乙醇对凝胶进行浸泡处理，以减少其水分含量并稳定断裂的淀粉链。最终，通过干燥、碳化和KOH活化等步骤，得到具有高度孔隙结构和优异电化学性能的SAC-800。

这种制备方法的关键在于控制凝胶化和活化过程，以确保最终产物的结构和性能达到最佳状态。凝胶化过程不仅能够提高淀粉的可塑性，还为后续的碳化和活化提供了良好的基础。KOH活化则通过化学反应，在淀粉碳化过程中形成大量的微孔结构，从而提高其比表面积和电荷存储能力。此外，KOH活化还能在材料表面引入丰富的氧物种，这有助于增强其与电解液之间的相互作用，进一步提升其电化学性能。

为了验证SAC-800的性能，研究人员进行了系统的电化学测试。在三电极配置下，SAC-800表现出优异的双电层电容（EDLC）和赝电容（pseudocapacitive）特性。同时，SAC对称纽扣电池的测试结果也表明其具有出色的能量存储能力。这些结果不仅证实了SAC-800的优异性能，也为其在实际应用中的可行性提供了依据。

从环境和经济的角度来看，SAC-800的制备过程具有显著的优势。首先，它来源于农业废弃物，具有良好的可再生性，减少了对传统碳材料的依赖。其次，其制备工艺相对简单，不需要复杂的设备和昂贵的原材料，从而降低了生产成本。最后，SAC-800的高比表面积和优异的电化学性能使其在电化学储能系统中具有广阔的应用前景。

总的来说，本文的研究为利用农业废弃物开发高性能电极材料提供了新的思路和方法。通过优化凝胶化和活化过程，研究人员成功制备出了一种具有高比表面积和优异电化学性能的活性炭材料，这不仅有助于提高能量存储设备的性能，还能促进可持续发展。未来，随着对这种材料的进一步研究和应用，其在可再生能源技术中的潜力将得到更充分的发挥。