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環(huán)球零碳

碳中和領域的《新青年》

Getty Image & Plantura Magazine

撰文：Bell

編輯：小瀾

→這是《環(huán)球零碳》的1870篇原創(chuàng)

隨著全球對可再生能源存儲需求的日益迫切，為了尋求高性能儲能材料，科學家們將目光投向了“垃圾”和“生物廢料”。

無論是污染環(huán)境的廢棄煙頭，還是安神助眠的薰衣草，都在科學家的實驗室里，成為了可能改變未來能源格局的關鍵材料。

先來看看那個讓人頭疼的環(huán)境污染源——煙頭，全球每年丟棄量高達約800萬噸，亟需對其進行綠色高效的利用改造。

煙頭主要由纖維素和醋酸纖維素構成，極難降解，還會向土壤中釋放重金屬，是典型的頑固垃圾。

而來自中國河南大學的一支研究團隊卻從中看到了“寶藏”。他們發(fā)現，煙蒂中的纖維素結構恰恰是制備多孔碳材料的理想前驅體，可應用于高性能儲能系統(tǒng)。

生物炭基多孔材料通常具有高比表面積、高石墨化程度以及良好的電化學穩(wěn)定性，是制備雙電層電容器（EDLC）電極材料的理想選擇。

來源：10.48130/een-0025-0016

團隊通過一種稱為“水熱碳化-熱解活化”的工藝，將煙蒂這種有毒垃圾轉化為氮氧共摻雜的多級納米多孔生物炭（簡稱CNPB）。

研究團隊先對煙蒂進行了預處理，去除殘留煙灰和雜質。然后將所得煙蒂粉碎成蓬松狀，在60℃下干燥2小時，并在使用前儲存于快速玻璃干燥器中。

然后，這些煙蒂被置于水熱反應釜中，在高溫高壓水熱條件下“煮”成碳球，再將反應混合物過濾用乙醇和去離子水徹底洗滌固體殘渣。

最后，研究人員加入了化學蝕刻劑，并將這些廢料于管式爐中加熱到700℃，使致密的碳球像爆米花一樣爆開，形成微觀上類似蜂巢的三維多孔結構。

這種材料具有驚人的比表面積——每克超過2000平方米（2133.5 m2 g?1），巨大的表面積允許離子可以以閃電般的速度快速進出。

來源：10.48130/een-0025-0016

同時，摻雜的氮和氧原子還能有效提升材料的導電性，使該材料能夠實現高比電容。

最終得到的材料CNPB-700-4，在超級電容器中展現出卓越的性能：在1安培每克的電流密度下，比電容高達344.91法拉每克。

而且，在經過一萬次充放電循環(huán)后，該系統(tǒng)仍然保持了95%以上的原始容量，壽命遠超普通智能手機電池。

由這種材料組裝的對稱超級電容器，能量密度和功率密度也達到了實用化水平，其功能特性非常適合高速任務，例如穩(wěn)定電網、提高電動汽車制動性能以及為便攜式設備供電。

這項研究不僅為解決煙蒂污染提供了新思路，同時還實現了“環(huán)境修復”與“高價值材料創(chuàng)造”的雙贏。

來源：Getty Image

如果說改造煙頭是有害垃圾“變廢為寶”，那么將薰衣草花梗轉化為負極材料就是生物廢料的“煥發(fā)新生”。

薰衣草因其芳香而廣受喜愛，但其農業(yè)殘余物——每年約1000至1500噸的花梗與廢料——卻常被忽視。

如今，一個由韓國科學技術大學、伊諾努大學等高校研究員組成的國際科研團隊成功地將這些薰衣草花廢料轉化為硬碳材料，并用作鈉離子電池的負極。

來源：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2026.239365

鈉離子電池被視為鋰離子電池的一種重要補充，其原料鈉儲量豐富、成本低廉，適合大規(guī)模儲能。但如何獲得高性能、低成本的電極材料是關鍵。

硬碳（HC）是鈉離子電池中最常用的負極材料，其特點是具有無序的碳結構。近年來，科學家們致力于開發(fā)新的HC生物來源，如稻殼、玉米秸稈、麥秸和椰子殼等。

這些木質纖維素廢料不僅為獲取經濟實惠的材料提供了機會，還有助于解決農業(yè)廢棄物管理問題，同時減少碳化過程中的二氧化碳排放。

這一次，研究團隊創(chuàng)新性地選擇了從土耳其當地市場采購的薰衣草花。

研究人員將薰衣草花廢料在高溫下碳化，成功制備出具有多孔表面結構的硬碳負極。這種結構保留了植物天然的微觀組織特征，有利于電解液的滲透和鈉離子的快速擴散。

同時，他們開發(fā)了一種與之匹配的正極材料——P2型層狀氧化物Na?.??Mn?.?Ni?.?O?，其中摻入的鎳有效提升了材料的導電性和結構穩(wěn)定性。

不過，使用這類生物質碳材料面臨一個普遍挑戰(zhàn)：初始的“鈉儲備”不足，會導致電池容量迅速衰減。

為此，科學家們像給電池“預充電”一樣，系統(tǒng)比較了三種“預鈉化”策略：直接接觸法、化學法和電化學法。

結果發(fā)現，電化學預鈉化方法雖然操作上更復雜一些，卻能帶來最優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和能量密度。

在實驗中，采用該方法的全電池在100次循環(huán)后仍能保持62%的容量，遠優(yōu)于其他方法。

這項研究證明了，利用廣泛可得、可持續(xù)的植物廢料，完全可以構建出有競爭力的鈉離子電池體系，為全球能源轉型提供了兼具環(huán)保與經濟效益的電極材料解決方案。

來源：Plantura Magazine

其實，無論是煙蒂還是薰衣草，本質上都是含碳物質，且微觀結構適用于制造高性能電極材料。

科學家們的“腦洞”并非天馬行空，而是基于對材料微觀結構的深刻理解，

這兩項研究的共同精髓在于“升級再造”——將低價值甚至有害的廢棄物，通過精準的化學與工程控制，轉化為具備高附加值的先進功能材料。

未來，或許會有更多意想不到的材料將被送進實驗室，變身為支撐智能電網、驅動電動汽車、甚至點亮千家萬戶的綠色能源載體。

Reference：

[1]https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/een-0025-0016

[2]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775326001151#undfig1

[3]https://interestingengineering.com/energy/cigarette-butts-recycle-energy-storage

[4]https://interestingengineering.com/energy/lavender-powered-sodium-batteries

[5]https://www.eurekalert.org/news-releases/1114544

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