北航《EEM》：以废弃咖啡渣为原料制备微孔碳材料，用于锌碘电池

1成果简介

水溶液锌碘电池（AZIBs）因其低成本、固有安全性及高能量密度，已成为最具前景的下一代储能技术之一。然而，其实际应用受限于碘阴极的低电子导电性和中间体聚碘化物严重的穿梭效应。本文，北京航空航天大学孙轶斐 教授、皇家墨尔本理工马天翼 教授在《Energy & Environmental Materials》期刊发表名为“Waste Coffee Grounds-Derived Micropores Carbon Framework as an Efficient Iodine Host for Zinc Iodine Battery”的论文，研究报道了一种新型微孔碳框架（MCF），该材料通过简便的碳化-活化过程从废弃咖啡渣中合成。所得MCF具有超高的比表面积和高密度微孔结构，不仅能物理限制碘离子以最小化碘损失，还能提升复合阴极的电子导电性。

此外，生物质来源的杂原子掺杂（氮功能基团）有助于有效化学锚定中间聚碘化物，从而缓解穿梭效应。紫外-可见光谱和电化学动力学分析进一步证实了MCF对碘化物快速转化及抑制机制的作用。因此，MCF/I₂阴极在0.2 A g⁻¹电流密度下展现出优异的比容量（238.3 mA h g⁻¹），并在1.0 A g⁻¹电流密度下经过1200次循环后仍保持出色的循环性能，容量保持率达85.2%。本研究不仅为高性能碘宿主多孔碳材料的设计提供了重要参考，还为废弃生物质资源的可持续、高价值利用开辟了新途径。

2图文导读

图1、a) The schematic illustration of the synthesis process of MCF; TEM images of b) BC and c) MCF; d) HRTEM images, the corresponding SAED pattern (inset), and e) EDS mapping images of MCF.

图2、Structural characterizations of BC and MCF. a) Raman spectra; b, c) N2 adsorption–desorption isotherms; d) pore size distribution; e) XPS spectra; High-resolution XPS spectra of f) C1s, g) O1s, and h) N1s of MCF; i) atomic percentage contribution of C, O, and N.

图3、a) SEM images and corresponding EDS mapping of BC/I2; b) Digital image of all samples during the iodine loading process; c) SEM images and corresponding EDS mapping of MCF/I2; d) TGA curves of MCF/I2 and BC/I2; e) digital images; and f) UV–vis absorption spectroscopy of BC and MCF soaking in solutions for 24 h.

图4、Electrochemical performance of MCF/I2 and BC/I2 cathodes. a) CV curves at 0.5 mV s−1; b) Rate performance at various current densities; c) Discharge/charge curves. d) Comparison of rate performance of MCF/I2 with reported carbon-based host in zinc iodine battery; e) Long-term cycling performance of MCF/I2 and BC/I2 cathodes; f) Long-term cycling performance of MCF/I2 at areal mass loadings of 2.7 mg cm−2; g) Photograph of an electronic clock powered by this battery.

图5、a) The Nyquist plot of both cathodes; CV curves of b) MCF/I2 and c) BC/I2 cathodes at various scan rates of 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, and 1.0 mV s−1; d) The fitted linearity curve between redox peak current and square root of scan rate of MCF/I2 cathodes; e) Slope value of the redox of both cathodes; Ex situ UV–vis spectra for the electrolyte during the charging process with f) MCF/I2 and g) BC/I2 cathodes; h) Comparison of the advantages of MCF/I2 cathodes.

3小结

综上所述，我们设计并制备了一种基于废弃咖啡渣的3D微孔碳框架碘宿主材料，该材料可作为水系锌-碘电池的高效碘宿主。所制备的MCF具有3D导电框架结构，富含微孔且氮掺杂水平适中，这两者协同作用显著提升了碘离子的物理限制和化学吸附能力。因此，MCF/I₂正极展现出优异的倍率性能（0.2 A g^(−1)时为238.3 mA h g^(−1)）、循环稳定性（1.0 A g^(−1)时经过1200次循环后容量保持率为85.2%）以及高库仑效率（~100%）。更重要的是，即使在2.7 mg cm−2的高负载下，MCF/I2阴极仍能在1500次循环中保持优异的循环稳定性。这一实际验证凸显了该方法在实际应用中的潜力。总体而言，本研究为开发适用于下一代AZIB的可扩展、环保型阴极材料提供了宝贵框架，为其在便携式储能应用中的商业化应用奠定了基础。

历史咖啡渣废料的生物质文章：

Carbon Energy：通过“盐”热处理从咖啡提取物中提取的蜂窝状碳材料，用于高性能Li-I 2电池

Nature子刊：将废料咖啡渣高产率转化为分级多孔碳，实现出色的电容性能量存储

文献：
https://doi.org/10.1002/eem2.70045

来源：材料分析与应用