研究背景

为了应对日益严峻的能源和环境污染问题，将废弃生物质资源转化为高性能的环境功能材料成为了当前重要的研究方向。近年来，活化过硫酸盐的高级氧化技术已被广泛应用于去除PPCPs，并表现出良好性能，非均相金属基催化剂能够有效地降低能耗和试剂用量，但是，在活化过程中不可避免的金属泄露会对环境造成危害。幸运的是，非金属碳基材料为过硫酸盐活化提供了替代方案。同时，在超级电容器应用领域的不断拓展的驱动下，研制高比容量、高能量密度和高稳定性的电极材料已经成为世界的热点课题。生物质基多孔炭具有良好的化学稳定性、高比表面积、独特的结构、缺陷和化学组成，使其在环境修复和能源储存领域具有广阔的应用前景。因此，开发一种环境友好、成本低廉的高性能生物质基多孔碳材料对能源可持续利用和环境修复具有重要意义。

图文介绍

本文以灵芝药渣为原料，以氢氧化钾为活化剂，制备出高比表面积生物质基多孔碳管(ST-DDLGC_x)。在没有活化的情况下，灵芝药渣的中空纤维结构可以很好地保留，但管壁上没有明显的孔隙结构，如图1a。ST-DDLGC₂不仅具有中空纤维结构，而且管壁上具有丰富的三维孔隙结构。灵芝药渣自身中空纤维结构的保留和通过活化炭化得到的互连接的分层多孔网络结构协同作用，有利于电解液的渗透并为离子传输和电子转移提供合适的路径。

图1. 不同倍率下ST-DDLGC₀ (a)、ST-DDLGC₂ (b) 和ST-DDLGC₃ (c) 的SEM图像，以及ST-DDLGC₂ (d、e、g、h) 和ST-DDLGC₃ (f、i) 的TEM图像。

如图2a所示，所有样品的N₂吸附-脱附等温线均表现为IV型，在P P₀⁻¹在0.5~1.0出现了滞后环，表明存在中孔和微孔。图2b所示，ST-DDLGC₃样品孔径分布较窄，集中在1.72 nm处，孔容为0.58 cm³ g⁻¹。相比之下，ST-DDLGC₂表现出更明显的孔隙通道(1.76 nm)和孔隙体积(0.76 cm³ g⁻¹)，与TEM观察结果一致。此外， ST-DDLGC₂和ST-DDLGC₃的比表面积分别为1731.5 m² g^-1和1363.2 m² g^-1。ST-DDLGC₂具有较高的比表面积和较大的孔径，有利于实现优异的储能和环境修复性能。

图2. (a) ST-DDLGC₂和ST-DDLGC₃样品的氮气吸附-解吸等温线，(b) 孔径分布曲线，(c) x射线衍射(XRD)图，(d) 拉曼光谱。

在高频区，ST-DDLGC₂和ST-DDLGC₃的ESR均较低，分别为0.4329和0.4375 Ω，具有良好的导电性，在低频区呈现出接近垂直的线。GCD曲线(图3b) ST-DDLGC₃表现出中等腰三角形，具有优异的电化学双层电容器(EDLC)电容性能。CV曲线（图3c）所示，表明具有合适的电容性能和较高的电化学可逆性。图3d在0.5 A g⁻¹电流密度下，ST-DDLGC₂和ST-DDLGC₃的比容分别为296.4和328.1 F g⁻¹。Ragone图(图3e)在电流密度为0.5 A g⁻¹时，最大能量密度达到11.39 Wh kg⁻¹，经过10,000次循环后，ST-DDLGC₃表现出显著的循环稳定性，电容保持率为98.6%,并且库仑效率保持在~100%(图3f)。

图3. 6 M KOH双电极体系的电化学性能。(a) ST-DDLGC₂和ST-DDLGC₃的EIS曲线，(b) ST-DDLGC₃的GCD曲线，(c) ST-DDLGC₃的CV曲线，(d) ST-DDLGC₂和ST-DDLGC₃的比电容(插图为纽扣式超级电容供电的发光二极管)，(e) ST-DDLGC₂和ST-DDLGC₃的Ragone图，(f) ST-DDLGC₃的循环稳定性和库仑效率。

此外，进一步研究了对卡培他滨(CAP)的催化降解性能（图4）。仅有PMS时，CAP几乎没有被降解。ST-DDLGC₂和ST-DDLGC₃对CAP有一定的吸附效果（分别为24.5%和32.8%），当加入PMS后，ST-DDLGC₂/PMS和ST-DDLGC₃/PMS体系中，120分钟后的降解率分别为97.3%和76.9%，表面ST-DDLGC表现出最佳的PMS催化效果。并且ST-DDLGC₂/PMS体系对常见的阴离子有很强的抗干扰能力，在不同的pH值下都能表现出良好降解性能，循环10次后CAP降解效率也没有明显下降。

图4. (a) 在不同体系中去除CAP， (b) 多种阴离子共存时CAP降解动力学，(c) 初始pH值对CAP降解的影响，(d) ST-DDLGC₂在PMS活化中降解CAP的循环测试。

总结与展望

本文成功以废弃生物质（灵芝药渣）为前驱体成功制备了多孔碳纳米管，用于卡培他滨的催化降解和超级电容器的电极材料。ST-DDLGC₂对无机阴离子具有良好的抗干扰能力，并且在较宽的pH范围内具有优异的性能性能，120 min后对CAP的降解率为97.3%。作为超级电容器电极，当电流密度为0.5 A g^-1时，ST-DDLGC₃表现出较大的比电容。当循环10,000次后，电容的保持率为98.6%。结果表明，自模板生物质基多孔碳管具有优异的PMS活化能力和超级电容器电极性能。本研究提供了一种环境可持续和低成本的碳材料制备方法，可以解决实际应用中的环境和能源问题。

原文信息

相关成果以“Self-templating synthesis of biomass-based porous carbon nanotubes for energy storage and catalytic degradation applications”为题发表在Green Energy & Environment期刊，中山大学严凯教授和东莞理工学院王安祺副研究员为本文共同通讯作者。

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2023.10.005

撰稿：原文作者

编辑：GEE编辑部