一、基础信息

论文来源

期刊：Carbon Neutralization，2026 年 3 月 3 日在线；DOI：10.1002/cnl2.70135

作者团队：昆明理工李雪、贵金属功能材料全国重点实验室刘锋、新疆师范大学谷晓凤等

论文标题：High Value Utilization of Waste Biomass Carbon for Rapid CO₂ Electroreduction and Stable Sodium-Ion Storage

研究对象

废弃竹材为原料，分别采用焦耳快速加热（SBC-RJH）、传统管式炉加热（SBC-TFH）制备生物质碳；材料同时用作直接碳固体氧化物燃料电池燃料、钠离子电池负极，两组样品对照测试

核心关键词

焦耳快速碳化、废弃竹材、生物质碳、CO₂电还原、直接碳固体氧化物燃料电池、钠离子电池负极、宽层间距、纳米闭孔、生物质高值化、发电储能一体化

二、研究背景

双碳目标下需要发电与储能协同绿色体系，但两类器件均存在材料瓶颈：直接碳固体氧化物燃料电池 CO₂电还原动力学差，工作温度高；传统石墨用于钠负极存在热力学不稳定、溶剂共嵌、离子传导慢等缺陷。现有碳化工艺耗时、能耗高，缺少可同时适配发电、储能双场景的低成本生物质碳制备方案，废弃竹材等农林废弃物难以高效高值利用。

三、文章主要内容

焦耳快速碳化新工艺

以废弃竹材为前驱体，焦耳瞬时高温 + 淬火仅 0.5 小时完成碳化，能耗低于管式炉工艺；瞬时高温产生蒸汽爆破效应，调控出无序碳结构、更大层间距与大量纳米闭孔。表征显示 SBC-RJH 层间距 0.385 nm，缺陷密度更高，比表面积更低。

固体燃料电池发电性能

SBC-RJH 作为燃料 850℃最大功率密度 515.3 mW cm⁻¹，恒流可释放 1570 mAh 电量，燃料利用率 35.2%；相比管式炉样品阻抗更低、单位碳比容量提升 61.2%，高密度缺陷加速 CO₂电还原循环反应。

钠离子电池负极性能

SBC-RJH 可逆容量 327.6 mAh g⁻¹，首库效率 90.4%；100 圈容量保有 93.7%，1000 mA g⁻¹ 高倍率仍有 210.3 mAh g⁻¹，千次循环保持 85% 容量；宽碳层加速钠离子嵌入，纳米闭孔可形成可逆准金属钠簇，提升储钠容量与可逆性。搭配 NFPP 正极组装全电池可稳定点亮 LED，倍率与循环表现良好。

储钠与电还原机理验证

借助 GITT、原位 Raman、DFT、显色实验证明：碳层与闭孔均可稳定吸附钠离子；高密度缺陷位点为 CO₂电还原提供大量活性位点，实现废弃物向发电、储能双功能碳材料转化。

图1 碳材料的微观结构表征

XRD显示焦耳加热制备的SBC-RJH样品(002)峰向低角度偏移，碳层间距(d₀₂)达0.385 nm，大于管式炉样品的0.373 nm；Raman光谱中Iᴅ/Iɢ值增大，证实缺陷密度更高；N₂吸脱附表明焦耳加热样品比表面积更低(3.3 m² g⁻¹)，归因于瞬时超高温产生的“蒸汽爆破”效应形成孔隙并在循环加热中闭合；HRTEM证实SBC-RJH呈高度无序“紊乱层”结构，晶格条纹终止、扭曲明显；SAXS显示其纳米闭孔数量增多且孔径增大。

图2 直接碳固体氧化物燃料电池的结构与反应机理

电池由YSZ电解质和对称Ag-GDC电极构成，厚度约185 μm的致密电解质保证气密性，多孔电极利于气体扩散。工作原理：阴极O²⁻经电解质迁移至阳极，与CO电化学氧化生成CO₂并释放电子，CO₂扩散至碳燃料层发生逆布多尔反应(CO₂ + C = 2CO)再生CO，形成循环。

图3 直接碳固体氧化物燃料电池的电化学性能

850°C下DBC-RJH燃料电池最大功率密度达515.3 mW cm⁻²，显著高于DBC-TFH的422.7 mW cm⁻²；Nyquist阻抗和DRT分析表明其欧姆阻抗和极化阻抗均更低，归因于高缺陷密度提供更多反应活性位点及Fe催化剂的原位负载。恒流放电可释放1570 mAh电量，燃料利用率35.2%，单位质量碳燃料比容量达561 mAh g⁻¹，较DBC-TFH提升61.2%。

图4 钠离子电池的电化学性能

SBC-RJH负极电荷转移阻抗(162.3 Ω)远低于SBC-TFH(245.7 Ω)，可逆容量327.6 mAh g⁻¹、首次库伦效率90.4%，显著优于对比样。容量差异主要来源于低电位平台区(<0.1 V)贡献提升108%。100次循环后容量保持率93.7%，1000 mA g⁻¹高电流密度下仍保持210.3 mAh g⁻¹，1000次长循环后容量保持率85.0%。

图5 钠离子储存机理分析

GITT显示SBC-RJH在各电位区间保持更高钠离子扩散系数：高电位区对应表面电容吸附，低电位区为层间嵌入，接近0 V时闭孔内形成准金属钠簇降低电荷转移阻抗。原位Raman中放电至0.01 V时G带蓝移证实钠离子嵌入，Iᴅ/Iɢ值降低与闭孔填充相关，充电后恢复表明高度可逆。乙醇-酚酞显色实验验证准金属钠的可逆形成。DFT计算表明钠在碳层和闭孔结构的吸附能接近(-0.471 eV vs -0.457 eV)，证实两者均利于钠储存。

图6 钠离子全电池应用

以SBC-RJH为负极、NFPP为正极的全电池可成功点亮LED。倍率性能：0.2C至3C容量保持率从97.0%降至81.2%；0.1C和3C下均表现出稳定循环性能，证实实际应用可行性。

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