1成果简介
生物质衍生碳作为储能材料，因其低成本、可持续性和固有的结构优势而逐渐受到广泛关注。本文，华南农业大学禹筱元 教授团队在《Carbon Neutralization》期刊发表名为“Hybrid catalyst-assisted synthesis of multifunctional carbon derived from Camellia shell for high-performance sodium-ion batteries and sodium-ion hybrid capacitors”的论文，研究以山茶花壳为生物质前驱体，通过不同的处理方法合成了用于钠离子电池（SIB）、钠离子电容器（SIC）半电池和钠离子混合电容器（SIHC）的硬质碳（H-1200）和多孔碳（PC-800）。直接高温碳化合成的 H-1200 具有合理的石墨层结构和丰富的杂原子。
将其用作 SIB 的阳极时，在 25mA g-1 的条件下，其可逆容量为 365.5 mAh g-1，在 200mA g-1 条件下循环400次后，容量保持率为 89.0%。此外，通过催化碳化 K2C2O4/CaC2O4 混合催化剂制备的PC-800具有复杂的多孔结构和 2186.9 平方米 g-1 的高表面积。将其用作SIC的阴极时，当电流为 100mA g-1 时，最大容量为 104.2mAh g-1；当电流为5Ag-1 时，最大容量为 35.0mAh g-1。此外，以 H-1200 为阳极、PC-800为阴极的全碳组装 SIHC (H-1200||PC-800)具有输出电压范围宽（0.01 ~ 4.1V）、能量密度高（161.5Wh kg-1）、功率密度高（12896.1W kg-1）以及在 10 A g-1 条件下循环10000次后容量保持率高（90.32%）等特点。这项研究成果为构建低成本、大规模生产生物质衍生碳储能材料开辟了新天地。
2图文导读
图1、(a) 硬碳阳极和多孔碳阴极材料合成过程的系统图解；(b) 硬碳材料的 XRD 结果；(c) H-1200 阳极材料的拉曼光谱、(d, e) SEM 和 (f) HRTEM 图像。HRTEM：高分辨率透射电子显微镜；XRD：X 射线衍射仪。
图2、（a） H-1200硬质碳阳极材料的XPS测量光谱；（b–d）H-1200硬质碳阳极材料的C1s、N1s、O1s元素的高分辨率XPS光谱。
图3、（a） 多孔碳材料的XRD结果；（b） PC-800材料的拉曼光谱；（c，d）多孔碳材料的N2吸附-解吸曲线和PC-800的孔径分布；（e） SEM结果和（f）PC-800材料的HRTEM图像。
图4、（a） PC-800材料的XPS测量光谱；（b–d）PC-800材料的C1s、N1s和O1s元素的高分辨率XPS光谱。XPS、X射线光电子能谱。
图5、(a) H-1100、(b) H-1200、(c) H-1300 阳极材料的 GCD 曲线；(d) H-1200 阳极的速率性能；硬碳阳极在以下条件下的循环性能 (e) 25 mAg-1，(f) 50 mAg-1（高负荷下）；(g) 200 mAg-1。GCD：电静态充放电。
图6、多孔碳阴极在以下条件下的循环性能 (a) 200 mA g-1；(b) 500 mA g-1；(c) PC-800 阴极的速率性能；(d) 不同多孔碳阴极在 0.2 mV s-1 下的 CV 曲线；(e, f) PC-800 阴极在不同扫描速率下的 CV 曲线。CV：循环伏安法。
3小结
综上所述，本文呢研究了一种单一且经济有效的生物质前驱体--茶花壳，以获得高性能 SIHC。通过高温煅烧获得的硬碳阳极（H-1200）具有内部石墨微晶结构和合理的石墨层间距离，这确保了 Na 的良好插入动力学。因此，在 25 mA g-1 的条件下，H-1200 的比容量达到了 365.5 mAh g+-1。此外，通过催化碳化新型环保混合催化剂 K2C2O4/CaC2O4 合成的多孔碳阴极（PC-800）具有相当大的比表面积（2186.9 m2 g-1）。三维分层多孔结构提供了足够的电容效应，增加了与电解质的接触面积，促进了离子传输。因此，PC-800 的比容量在 100mA 和 200mA g-1 条件下可分别达到 104.2 mAh g-1 和 84.9 mAh g-1，并能进一步承受5Ag-1 的高电流密度。
此外，采用H-1200阳极和PC-800阴极组装的全碳 SIHC 实现了宽工作电压范围（0.01 ~ 4.1 V）、高能量密度（161.5 Wh kg-1）、功率密度（12896.1 W kg-1）和长循环寿命（10000 次循环后容量保持率为 90.32%）。这些结果不仅证明了山茶壳衍生多功能碳材料在SIBs、SICs半电池和SIHCs领域的广阔前景，也为构建生物质废弃物衍生碳的低成本、生态友好型制备和优异的电化学性能的储能材料提供了新的视野。
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