莲叶基硬碳闭孔结构机制解析及其对钠存储性能的调控作用

本文通过可控预氧化碳化工艺制备莲叶衍生硬碳负极材料，系统阐明闭孔结构形成机制与钠离子存储性能的关联。研究表明1500°C优化热处理可协同调控层间距与闭孔结构，使材料呈现323.82 mAh/g的高可逆容量、72.40%初始库伦效率(ICE)及200圈循环91.11%容量保持率，验证了"吸附-插层-孔填充"（adsorption-intercalation-pore filling）的钠存储机制，为高性能钠离子电池(SIBs)生物质负极设计提供新策略。

　　

Material preparation

莲叶经清洗后于60°C干燥12小时，随后在马弗炉中以0.5°C/min升温至310°C进行4小时预氧化。预氧化样品在N₂氛围下以3°C/min速率分别升温至1300°C、1400°C、1500°C和1600°C碳化2小时，经90°C盐酸洗涤后过滤干燥获得最终材料。

Results and discussion

扫描电镜(SEM)图像（图1b-e）揭示了不同热解温度下硬碳材料的微观结构演变。材料呈现层状结构伴有不均匀粒径分布，且颗粒表面附着聚集物。随着温度升高，材料逐渐分解为更小颗粒，表面颗粒聚集密度增加。1500°C样品展现出更丰富的闭孔结构和适宜层间距，为钠离子存储提供理想环境。拉曼光谱显示D带与G带强度比(I_D/I_G)随温度升高而降低，表明石墨化程度提升。X射线衍射(XRD)图谱证实(002)晶面间距随温度升高先增大后减小，1500°C样品呈现0.38 nm的最优层间距。电化学测试表明1500-OHY样品在0.1 C倍率下实现323.82 mAh/g的可逆容量，其高初始库伦效率(ICE)得益于低比表面积(SSA)减少不可逆副反应。循环伏安(CV)曲线在0.1 mV/s扫描速率下显示典型硬碳氧化还原特征峰。恒电流间歇滴定技术(GITT)证实1500°C样品具有最高的钠离子扩散系数（10^-11–10^-9 cm²/s）。

Conclusion

通过低温预氧化与优化碳化温度成功制备出具有高ICE、大比容量和优异循环性能的硬碳材料。1500-OHY样品凭借丰富且尺寸适宜的闭孔结构，展现出卓越的钠存储容量与循环稳定性，在1 C倍率下200次循环后容量保持率达91.11%，其钠存储机制符合"吸附-插层-孔填充"的三阶段模型。该研究为生物质废弃物制备高性能钠离子电池负极材料提供了重要参考。