废弃咖啡渣制备石墨化多孔碳用于高性能超级电容器研究

研究人员针对全球能源需求增长和可持续储能材料短缺的问题，以废弃咖啡渣为原料，通过低温水热碳化（240 ℃）和KOH化学活化（650 ℃）工艺，成功制备了具有高比表面积（976.34 m2 g?1）和分级孔结构的石墨化多孔碳（AHC）。该材料在0.5 A g?1电流密度下表现出150 F g?1的比电容，并在10 A g?1下循环1150次后容量保持率达92.4%，为生物质废弃物资源化和高性能超级电容器开发提供了新策略。

　　

随着全球能源结构转型加速，超级电容器因其高功率密度和快速充放电特性成为储能领域的研究热点，但其电极材料仍面临成本高、环境负荷大等问题。废弃咖啡渣作为全球年产量超600万吨的农业副产品，富含68.52%的碳元素和天然纤维结构，是制备多孔碳的理想原料。然而，传统活化工艺需高温（>800 ℃）和高碱碳比（3:1），导致能耗高且孔结构易坍塌。

针对这一挑战，胡志明市国家大学所属胡志明市理工大学的研究团队创新性地采用低温水热碳化（240 ℃）结合低比例KOH活化（1.5:1）的协同策略，成功将咖啡渣转化为具有分级孔网络的石墨化多孔碳（AHC）。通过系统优化发现，650 ℃活化温度下制备的AHC_650_1.5样品展现出最优性能：BET比表面积达976.34 m² g^?1，孔径分布以2.19 nm的介孔为主，XRD显示其(002)晶面间距为3.36 ?，接近石墨标准值（3.354 ?）。拉曼光谱（Raman）中I_D/I_G=1.04表明材料兼具石墨化域和结构缺陷，FT-IR证实活化过程有效去除了含氧官能团。

研究采用水热反应釜制备前驱体，通过管式炉进行KOH活化，利用SEM/TEM观察形貌，BET分析孔结构，XRD/Raman/FT-IR表征晶体结构和化学组成，采用三电极体系测试CV、GCD和EIS等电化学性能。

3.1 活化条件优化

温度实验表明650 ℃时比表面积达812.13 m² g^?1，700 ℃则因K₂CO₃腐蚀导致结构坍塌。KOH比例实验显示1.5:1时性能最佳，过量KOH（2:1）会堵塞孔隙。

3.2 材料表征

TEM显示AHC具有相互连通的纳米孔道，XRD在26°出现石墨碳(002)峰。电化学测试揭示其双电层电容（EDLC）机制为主，含少量赝电容贡献。

3.3 电化学性能

在1 M H₂SO₄电解液中，AHC的Nyquist曲线呈现低电荷转移电阻（R_ct），GCD曲线在10 A g^?1大电流下仍保持三角形对称性，表明优异的倍率性能。

该研究通过"低温+低碱"的绿色工艺，将咖啡渣转化为高性能储能材料，比传统工艺降低能耗30%以上。材料92.4%的长循环稳定性优于多数报道的生物质碳（如玉米芯碳85%），其分级孔结构兼顾离子传输效率与活性位点数量，为"废弃物-功能材料"转化提供了范本。论文发表于《Next Materials》，为可持续电极材料开发开辟了新路径。