锆钴嵌入生物炭的表面工程：高效低成本能源存储材料的创新突破

这篇研究通过西瓜皮衍生的生物炭(B)进行锆(Zr)掺杂和钴(Co)嵌入，结合羧酸基团(-COOH)表面功能化，开发出活化生物炭(AcB-ZrCo)。该材料在三电极体系中展现出卓越的电化学性能：比电容(Csp)达1181 F/g@1 A/g，能量密度233 Wh/kg，功率密度0.31 kW/kg，并通过贝叶斯岭回归模型优化电荷存储机制。双电极系统测试显示其具有936 F/g@1 A/g的实用性能，且循环稳定性优异（5000次充放电后容量保持）。研究为生物质废弃物高值化利用和下一代储能技术提供了创新方案。

　　

亮点

本研究通过多步工程策略将西瓜皮生物炭转化为高性能电极材料：锆掺杂增强导电性，钴嵌入提供氧化还原活性位点，羧酸基团表面功能化进一步优化离子传输路径，最终获得兼具高比电容和出色稳定性的储能材料。

材料与方法

实验采用西瓜皮（巴基斯坦木尔坦市采购）为原料，依次经过锆氧氯化物(ZrOCl₂)、硝酸钴(Co(NO₃)₂)处理，并用KOH/CH₃COOH活化。通过X射线衍射(XRD)证实锆钴成功嵌入碳晶格，傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测到羧基特征峰，氮气吸附测试显示材料具有分级孔结构（微孔<2 nm，介孔2-50 nm）。

结构、成分与形貌分析

XRD显示生物炭在15.7°出现典型(002)晶面峰，44.1°对应脂肪链结构。锆钴引入导致衍射角偏移，表明金属-碳键形成。扫描电镜(SEM)显示活化后材料呈现三维多孔网络，透射电镜(TEM)观察到均匀分散的Zr/Co纳米颗粒。X射线光电子能谱(XPS)证实Zr⁴⁺和Co^2+/3+的共存状态。

结论

通过金属掺杂与表面工程协同策略，所制备的AcB-ZrCo生物炭在1 A/g电流密度下实现1181 F/g的超高比电容，能量密度达233 Wh/kg（接近锂离子电池水平）。材料在50小时大电流测试中保持稳定，为生物质基电极材料的商业化应用提供了新范式。