迈向完整的绿色储能系统：天然海水活化海藻基多孔碳用于水系锌混合多孔碳用于水系锌混合电池-电容器装置-电容器装置

在全球能源危机与环境风险不断晋级的背景下，开发绿色安全的固定式储能系统与办法对下一代发展具有重要意义。本文初次报导了一种绿色可继续的办法，运用天然富集、零成本的富含氯化钠（NaCl）海水一步活化海藻衍生多孔碳电极。海藻中天然存在的多杂原子（即氮（N）、磷（P）和硫（S））促使构成了具有大比外表积（721.1 m2）以及高电导率（29.1 S cm−1随后，运用这种绿色海水活化多孔碳（SWAPC）电极开发了锌混合电池电容器（ZHBC）器材，该器材在水系电解液中添加微量氧化复原添加剂（0.05 M KI），然后完结高比容量与能量密度。具体而言，得益于电容型SWAPC电极的非法拉第存储过程、电池型锌负极电极的法拉第容量奉献以及氧化复原添加剂的协同作用，所制备的ZHBC器材可供给135.8 mAh g^-1的最大比容量。−1在0.1 A g^-1电流密度下−1能量密度达119.8 Wh kg^-1−1，并且在5000次循环后仍坚持约100%的电容坚持率。据咱们所知，本研讨初次提出海水活化这一绿色工艺，为推动完结绿色能源存储供给了新思路。该研讨还开发了一种直接从海藻和海水中制备杂原子掺杂多孔碳的新办法，显著提高了资料在储能运用中的效能。作为概念验证，咱们展示了从自然资源中去除抛弃物并推进绿色静态存储办法/设备研发的或许性。−1, and a capacitance retention of ∼100 % even after 5000 cycles. To the best of our knowledge, through this study, we have introduced seawater activation as a green process to drive forward the prospects of realizing green energy storage. This study also introduces a novel method for producing heteroatom-doped porous carbon directly from seaweed and seawater, greatly enhancing the material's efficacy in energy storage applications. As a proof-of-concept, we demonstrate the possibility of removing wastes from natural resources and progress toward the realm of green stationary storage methods/devices.

图文摘要

安全、绿色且可继续的电能存储技能，特别是可充电电池与超级电容器，在当时环境问题日益凸显的背景下，已成为现有技能系统中亟待解决的核心需求。[[1], [2], [3]] 商用锂离子电池（LIBs）所含的易燃有毒物质不只存在安全隐患与环境风险，运用后还需严厉的抛弃处理流程。[4,5] 基于此，无论是构建电池还是超级电容器，选用绿色工艺开发安全的电极/电解质资料并完结全器材环保制备，无疑是最理想的发展方向。在此背景下，运用生物质衍生多孔碳（BPC）资料作为电极现在更为普遍，这归因于其轻质化、稳定性增强、环境影响低、高导电性、大比外表积、均匀孔隙结构以及优异的物理化学功用等优势。此外，这些碳前驱体资料自身富含N、S、P元素，在煅烧过程中可完结电活性自掺杂杂原子，然后提高导电性、外表潮湿性，并促进BPC电极的能量存储功用增强。[6-14] 与此同时，金属锌因其能促进不同离子电荷载体在长时间循环下的可逆沉积，然后展现出卓越的电化学稳定性，成为最安全的绿色对电极选择之一。此外，锌具有成本效益高、在室温及以上温度易运用、对空气极不敏感且环保等长处。作为负极资料运用时，锌展现出高达819 mAh g^-1的理论比容量。−1或5854毫安时厘米−3）对应的标准电势为−0.76在电化学反响中，标准氢电极（SHE）常被用作参比系统[[15], [16], [17], [18]]。与此同时，针对枝晶成长和寄生副反响（腐蚀与析氢）的挑战，研讨者们已获得重大突破。例如，经过绿色办法解决枝晶问题的战略包含：在电解液中引进无害添加剂离子，这些离子可在锌电极外表构成"自屏蔽"层，然后按捺枝晶成长，避免电池短路。[[19], [20], [21], [22]] 总体而言，上述锌电极的优势远超过其下风。在安全环保电解质的选择中，多数研讨聚集于含传统简单盐类的水溶液系统[23,24]。大量研讨致力于开发生态友好型器材与组件，这已成为当时科研方向中的重中之重[25]。然而，BPC电极活化最常用的战略仍是选用KCl、CaCl等化学试剂进行处理。, KOH, NaOH, MgCl2, ZnCl2, K2PO3, H4PO3 , and Na4CO2[[26], [27], [28], [29]] 关键在于，这种化学活化过程长时间来看或许具有腐蚀性和毒性，且产物的制作良率较低。这使得该工艺不适用于工业运用，然后阻碍了完结绿色电极、工艺及器材的环保进程。为战胜这些缺点，研讨焦点已转向天然可循环活化剂，这类物质既能简化流程，又符合可继续制作准则。最新提出的NaCl辅助碳化法因其直接、经济且无毒的特性而极具前景。NaCl溶解后可回收再运用，在加热条件下能将无序碳转化为有序区域，然后在不运用腐蚀性化学品的情况下提高导电性。[[30], [31], [32]] 值得注意的是，既往研讨多选用纯NaCl，而掩盖地球外表约70%的天然富集资源——海水的运用潜力仍有待探索。海水不只以易得且零成本的形式供给NaCl，还含有其他离子成分（如Mg）。3, Ca2+, K2+, SO₄+) 这些离子或许影响孔隙演化和外表功用化，为杂原子掺杂和缺点工程供给了本征路径。2−) that may influence pore evolution and surface functionalities, offering an intrinsic route for heteroatom doping and defect engineering.
因此，为呼应开发低成本绿色BPC电极活化战略的需求，本研讨初次运用天然富集资源——海水（含高浓度NaCl）作为模板剂，对源自生物质资源海藻的BPC电极进行活化。海洋中的海水具有天然性、巨量性（掩盖约70%地球外表）和低成本特性。[33] 海水中除水以外的首要化学成分是NaCl，这种天然存在的盐被用于生物多孔碳（BPC）活化。%% [34] 同样从海洋中获取的海藻富含S、N和P元素，因此可作为开发高效低成本储能碳资料的前驱体。%% [35] 本研讨选用市售干海藻为质料，经过天然含NaCl盐的海水活化后热解，制备出自掺杂多杂原子（N、P、S）的BPC电极。%% 这种海水活化多孔碳（SWAPC-150）电极具有超大比外表积（~721.1 m²/g）%% 摘要）以及高电导率（29.1 S cm2）与锌阴极一起用于含硫酸锌（ZnSO−1）的水系电解液中，构成了一种锌离子电容器（ZIC），该器材可供给中等可逆比容量（约60 mAh g−1）。为进一步提高功用并坚持资料/器材的绿色特性，咱们在电解液中引进少量氧化复原添加剂（0.05 M KI）以制备ZHBC器材。这种混合储能器材结合了电容型SWAPC电极与电池型锌电极的两层优势，同时氧化复原添加剂供给的额定容量奉献使得器材整体具备高容量特性，然后完结了高能量密度功用。4[36] 具体而言，本研讨选用氧化复原添加剂的绿色ZHBC器材可供给135.8 mA h g^-1的高比容量。电流密度为0.1 A g−1时，仍能完结高达119.8 W h kg−1的峰值能量密度，且在5000次循环后电容坚持率仍维持在∼100%。据咱们所知，这是初次报导直接运用海水作为生物质衍生碳资料的天然活化剂，完结自掺杂与结构调控的同步完结。这种海水与海藻的立异性结合，为生态友好、可规模化且可继续的电极制备供给了新范式。−1, a spiked energy density (119.8 W h kg−1), and capacitance retention of ∼100 % even after 5000 cycles. To our knowledge, this is the first report of seawater being directly employed as a natural activator for biomass-derived carbons, enabling simultaneous self-doping and structural engineering. This innovative integration of seawater and seaweed provides a new paradigm for eco-friendly, scalable, and sustainable electrode fabrication.