生物质焦油包覆转炉钢渣复合材料：高性能超级电容器的可持续策略

本研究针对转炉钢渣和生物质焦油两种工业废弃物的高值化利用难题，创新性地提出碱活化协同生物质焦油包覆技术，制备出兼具双电层电容（EDLC）和赝电容（Fe2O3活性位点）的复合电极材料S@TC-3，其比电容达333.2 F/g，组装的对称超级电容器能量密度达18.47 Wh/kg，为工业固废资源化提供了新范式。

　　

在全球碳中和背景下，钢铁工业每年产生的数百万吨转炉钢渣（converter steel slag）和生物质能源转化过程中产生的有毒生物质焦油（biomass tar），正成为环境治理的棘手难题。传统填埋处理不仅占用土地，其中的重金属和有机污染物更可能引发二次污染。与此同时，超级电容器（supercapacitor）作为新型储能器件，其核心电极材料面临能量密度低和成本高的双重挑战。如何将这两种"工业包袱"转化为"储能宝藏"，成为循环经济领域亟待突破的科学命题。

发表在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》的这项研究给出了创新解决方案。研究团队通过巧妙的材料设计，将转炉钢渣中丰富的Fe₂O₃（含量达26.3 wt%）与生物质焦油衍生的多孔碳结合，构建了具有双重储能机制的复合材料。研究人员首先采用KOH碱活化破除钢渣表面的硅酸盐钝化层（β-C₂S和C₃S），再通过超声辅助将生物质焦油均匀包覆，最终在800℃氮气氛围下碳化获得S@TC系列材料。

关键技术包括：X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）表征材料晶体结构和表面化学状态，氮气吸附-脱附测试分析比表面积和孔径分布，扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察微观形貌，电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）测定铁含量，以及三电极体系和对称器件测试电化学性能。

【3.1 材料表征】

SEM显示原始钢渣（PS）呈致密块状结构，经KOH活化后（PS-K）出现纳米级孔隙。生物质焦油包覆形成的S@TC-3展现出独特的互联网络结构，TEM证实其存在0.37 nm晶格间距的Fe₂O₃(104)晶面。比表面积测试揭示S@TC-3具有最优的孔结构（329.78 m²/g），XPS分析发现其表面富含吡咯氮（400.0 eV）和羧基（530.5 eV），显著提升了材料润湿性和电荷转移效率。

【3.2 电化学性能】

在三电极体系中，S@TC-3的CV曲线呈现典型矩形伴随0.57 V还原峰，GCD测试显示其比电容达333.2 F/g（0.5 A/g），远超未处理钢渣（23.5 F/g）。动力学分析表明其储能包含66%扩散控制的赝电容贡献。组装的对称超级电容器在1.8 V工作电压下，能量密度达18.47 Wh/kg，且在10,000次循环后容量保持率达86.5%。Ragone图显示其性能优于多数报道的碳基材料。

这项研究的突破性在于：首次实现转炉钢渣和生物质焦油的协同高值转化，通过精确调控Fe₂O₃暴露程度与碳基质导电网络的平衡，解决了金属氧化物电容器循环稳定性差的行业难题。所开发的"固废变电极"策略，不仅为工业副产物资源化提供了新思路，更为低成本、规模化生产先进储能材料开辟了绿色路径。正如作者团队Tao Zhang和Jiangze Han在结论中指出，这种基于循环经济理念的材料设计方法，有望推动能源存储与环境保护的协同发展。