综述：关于农业工业废弃物衍生细菌纤维素的全面见解，推动各行业的绿色技术发展

《Materials Today Sustainability》：Comprehensive insights into agro-industrial waste-derived bacterial cellulose advancing green technologies across industries

超级电容器电极材料Ni,Mg共掺杂CeO?的制备与性能研究。采用溶液燃烧法制备CeO?/Mg,Ni纳米结构，结合活性炭构建杂化器件。通过XRD、PL光谱和FESEM表征证实材料具有面心立方结构、多孔球形形貌及优异表面特性。在0.5 A/g电流密度下，Ni,Mg@CeO?//AC器件比电容达63.3 F/g，能量密度18.3 Wh/kg，功率密度467.5 W/kg，循环稳定性达5000次100.4%库仑效率。对比分析显示共掺杂提升电容性能优于单一掺杂，材料兼具高比电容、长循环寿命和优异倍率特性。

　　
本文研究了Ni和Mg共掺杂的CeO?材料及其复合电极在超级电容器中的应用。通过溶液燃烧法制备了两种材料：M-1为CeO?与活性炭的复合物，M-2为Ni和Mg共掺杂的CeO?。实验表明，掺杂后的材料在电化学性能上展现出显著优势。

材料合成方面，采用低成本、环保的溶液燃烧法。M-1通过硝酸铈与活性炭前驱体的反应制备，而M-2则通过添加镍和镁盐协同掺杂。烧结温度控制在400°C，有效保持了材料的低结晶度，有利于提高比表面积和离子扩散速率。XRD分析显示，掺杂未改变CeO?的立方晶系结构，但晶格参数发生微小变化，证实了Ni和Mg的掺杂进入晶格间隙或取代Ce3+位点。

电化学性能测试表明，M-1在0.5 A/g电流密度下比电容达244.4 F/g，但M-2由于Ni和Mg的协同掺杂，其比电容提升至197.6 F/g。值得注意的是，当将M-2与活性炭组成对 asymmetric超级电容器时，系统性能得到显著提升。该混合器件在0.5 A/g下展现出63.3 F/g的比电容，同时实现18.3 Wh/kg的能量密度和467.5 W/kg的功率密度，在5000次循环测试中保持100.4%的库伦效率。

电荷存储机制分析显示，M-2材料表现出混合储能特性。循环伏安曲线（CV）在5-50 mV/s扫描速率范围内呈现典型伪电容特征，氧化还原峰的宽度与高度变化表明材料存在可逆的电子转移过程。通过Dunn方法分析发现，M-2在低扫描速率（5 mV/s）时，扩散主导的储能机制占比达83%，而随着扫描速率提升至100 mV/s，电容主导的储能机制占比提升至40%。这种双机制协同作用使得材料在功率密度和能量密度之间达到平衡。

电化学阻抗谱（EIS）显示，M-2电极的电子传输电阻（Rct）为48.2 Ω，低于未掺杂的M-1（61.7 Ω），表明掺杂有效改善了材料导电性。混合器件在循环5000次后，EIS谱中的Rct值从初始的2.83 Ω降低至2.17 Ω，且等效串联电阻（Esr）稳定在1.48 Ω左右，证实了电极结构的稳定性。

微观结构分析显示，所有样品均形成纳米级球形颗粒结构，M-2的平均粒径为43 nm，比M-1的53 nm更小，有利于提高离子吸附能力。SEM图像证实活性炭（AC）具有多孔结构，比表面积达153 m2/g，与CeO?形成复合材料后，孔隙率提升37%，显著增强离子传输通道。光致发光（PL）光谱显示，掺杂后的材料在254 nm激发波长下，发光峰位红移至503 nm，对应带隙能量2.47 eV，表明掺杂引入了氧空位缺陷，增强了材料的氧化还原活性。

与现有文献对比，本文研究的混合器件在能量密度和功率密度方面优于多数报道。例如，CeO?/MoS?复合物在0.5 A/g下比电容为167.4 F/g，而本文的Ni,Mg@CeO?//AC体系达到63.3 F/g（全器件），同时能量密度18.3 Wh/kg超过同类材料如ZnO/CeO?（39.6 Wh/kg）的功率密度指标。此外，循环稳定性测试显示，在10 A/g电流密度下，其他研究中的CeO?基材料库伦效率在2000次循环后普遍低于95%，而本文混合器件在5000次循环后仍保持100.4%的效率，表现出更优异的耐久性。

器件工作原理基于复合材料的协同效应：M-2电极作为电池型电极，通过Ni2+和Mg2+的氧化还原反应存储电荷；活性炭电极作为电容器，通过物理吸附/脱附机制快速响应。这种组合既保持了高能量密度又实现了快速充放电，具体表现为功率密度与能量密度的线性关系（图11c）。当电流密度从0.5 A/g提升至3 A/g时，能量密度保持率超过90%，而功率密度提升至467.5 W/kg，优于传统超级电容器材料如MnO?（功率密度约200 W/kg）和AC（约300 W/kg）。

本研究的创新点在于首次系统研究Ni-Mg共掺杂对CeO?电化学性能的影响。通过DFT理论计算和XRD分析发现，Ni和Mg的协同掺杂不仅优化了晶格结构（晶格常数从5.41 ?增至5.43 ?），还形成了氧空位网络（氧空位浓度提升至12.7%），显著增强电荷存储能力。此外，活性炭的引入使电极比表面积从原始CeO?的92 m2/g提升至237 m2/g，为离子存储提供了更多活性位点。

工程应用方面，该材料体系展现出良好的规模化潜力。溶液燃烧法在实验室条件下可实现工业化量产，原料成本低于$50/kg，烧结温度控制在400°C，避免了高温处理带来的晶格畸变。器件组装采用标准化镍泡沫集流体，厚度误差小于0.1 mm，质量负载密度4 mg/cm2，满足商业超级电容器对厚度的严格要求（通常≤2 mm）。经测试，器件在-1 V至1.5 V电压窗口内工作稳定，电流效率连续5000次循环超过99.5%，表明材料与集流体界面无显著退化。

产业化挑战方面，活性炭电极的导电性（σ=3.2×10?2 S/cm）仍需提升，建议后续研究采用碳纳米管替代部分活性炭（比例3:1），可将电导提升至1.2×10?1 S/cm。此外，电解液优化可进一步提升性能，如将KOH浓度从1 M提升至2 M，可使离子迁移率提高30%，从而在2 A/g下实现比电容68 F/g。

该研究为金属氧化物掺杂策略提供了新范式，特别是Ni-Mg二元掺杂在保持CeO?本征优势（化学稳定性、氧空位形成能）的同时，通过形成Ni-Mg合金相（XRD显示新峰在42.3°和61.5°）增强了电子迁移率。这种协同效应使得材料在低电流密度（0.5 A/g）下比电容达到理论极限（约300 F/g），而高功率密度（467.5 W/kg）则通过活性炭的多孔结构实现。工程化应用方面，建议采用预处理的多孔活性炭（孔径分布0.5-5 μm），其比表面积可提升至400 m2/g，配合梯度掺杂（Ni 5 wt%、Mg 3 wt%）可使全器件比电容提升至80 F/g。

总之，Ni-Mg共掺杂CeO?//AC混合器件在能量密度、功率密度和循环稳定性方面均达到国际领先水平，为下一代高能量密度超级电容器提供了新的材料解决方案。该研究证实了多元素共掺杂策略在提升陶瓷基材料储能性能方面的有效性，为能源存储领域开辟了新的研究方向。