基于不同pH的木质纤维素凝胶聚合物电解质在Zn
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-木质纤维素配位机制下的双电层电容器性能研究
随着柔性准固态能源存储设备在现代电子产品中的广泛应用，相关技术得到了显著进展。超级电容器（SCs）作为重要的电化学储能设备，凭借其高功率密度、快速充放电能力和长周期稳定性，逐渐成为研究的热点。当前，SCs普遍由高表面积碳电极和电解质组装而成。然而，液态电解质存在泄漏和腐蚀风险，固态电解质则表现出较低的离子导电性。为此，凝胶聚合物电解质（GPE）以其优异的离子导电性、电化学稳定性和安全性，成为柔性准固态超级电容器的理想选择。但传统GPE基体的回收性差、制备过程复杂且带来环境污染。为此，木质纤维素（LC）等天然生物质材料，凭借其优异的亲水性、生物易降解和易化学修饰的特性，成为理想的可持续GPE基体材料。通过采用特殊溶解体系，有效破坏LC分子之间的氢键，提升其加工性和功能化。这一创新性研究为绿色环保、可持续的能源存储技术开辟了新的方向。
近日，来自
西南石油大学的黄韵教授与王煦教授
合作，在国际知名期刊
Chemical Engineering Journal
上发表题为
“Study on the Performance of Electric Double-Layer Capacitors based on Lignocellulose Gel Polymer Electrolytes with Different pH Values for Zn
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-Lignocellulose Coordination Mechanism”
的观点文章。该观点文章探究了导电GPE的各类优异特性，探讨了Zn
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与GPE基体LC分子中的-OH基团配位机制对不同类型电解质离子迁移的影响。通过不同pH值的GPE优化了双电层电容器（EDLC）的电化学性能，为开发高效、环保的电化学储能系统提供了理论和实验支持。
图1. （a) Zn
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打破LC分子链之间的氢键。（b) -OH基团去除LC分子链上水分子的溶剂化作用。（c) 用于EDLC应用的不同pH值的GPE。电解质离子储存行为：（d) 在中性GPE中。（e) 在酸性GPE中。(f) 在碱性GPE中。
要点一：Zn
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与LC基体中的-OH基团配位对GPE性能的影响
来自树木的LC主要由纤维素、半纤维素（木聚糖）和木质素（松柏醇）组成，其中的-OH基团在Zn
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配位过程中发挥关键作用。Zn
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通过静电相互作用与LC分子中的-OH基团发生配位，破坏了LC分子链中的氢键网络结构，改善了GPE的离子导电性。通过MESP分析，发现纤维素、半纤维素（木聚糖）和木质素（松柏醇）基体中的-OH基团为Zn
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提供了有效的配位位点，并计算了Zn
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与不同C位点的配位结合能，结果表明在纤维素C1位点（-1.66 eV）、半纤维素C2位点（-4.60 eV）和木质素C1位点（-0.53 eV）表现出较强的结合能力，显示出不同的配位行为和能量差异。发生配位后，Zn
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与LC基体-OH基团的配位结合大大降低了HOMO-LUMO能隙（ΔE），提高了GPE的电化学稳定性和反应活性。
图2. (a) 木质纤维素结构示意图。(b) Zn
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与纤维素的配位机制。(c) 纤维素基体的MESP。(d) Zn
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与纤维素基体C1位点的-OH基团配位后的MESP。(e)Zn
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与纤维素基体不同C位点的羟基配位后的HOMO/LUMO能级及能隙（ΔE）计算结果。f) Zn
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与纤维素基体不同C位点的-OH基团配位结合能。(g) 不同Zn
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比例的LC膜的SEM图像。不同Zn
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比例的LC膜的吸水率和孔隙率：(h) 1M Li
2
SO
4
电解液。(i) 1M H
2
SO
4
电解液。(j) 6M KOH电解液。
要点二：Zn
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配位对LC膜微观结构及性能的影响
随着Zn
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比例的增加，LC膜形成的三维多孔网络结构为液体电解质存储提供了更多空间，其中ZL-15膜的最大孔隙率达到85%。在H
2
SO
4
和Li
2
SO
4
电解质中，ZL-10膜的电解液吸收率最高，而在KOH电解质中，ZL-0膜的吸收率较高。SEM和FTIR分析表明，Zn
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与LC分子中的-OH基团配位，促使片层状结构的形成，增强了表面活性和孔隙率。XPS、XRD和TGA分析显示，Zn
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配位导致LC膜原始结晶度下降，生成新的配位复合物改变了LC膜的热稳定性。氮气吸附-脱附实验显示，Zn
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配位提高了LC膜的比表面积和孔径，有助于提高液态电解质的吸附和保留能力，从而提升了GPE的离子导电性和电化学性能。
图3. （a) SEM图像。（b) ZL-15膜的EDS分析。（c) FTIR光谱。（d)-(f) 不同Zn
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比例的LC膜的XPS C 1s、O 1s和全谱图。(g) XRD图谱。(h) TGA曲线。(i) DSC曲线。(j) 应力-应变曲线。(k) 氮气吸附-脱附等温线。(l) 孔径分布曲线。
要点三：Zn
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比例和pH值对GPE基EDLC电化学性能的影响
通过调节Zn
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比例和pH值，GPE的离子导电性和电化学性能显著提升，最终增强了EDLC的能量存储和释放效率。在中性GPE中，NZLG-10表现出优异的比电容，特别在高电流密度下仍能保持较高的比电容和优异的倍率性能。酸性GPE中，ZLG-15表现出较高的比电容和能量密度，且具有良好的循环稳定性。碱性GPE中的ALG虽然初始比电容较低，但随着Zn
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比例的增加，其性能显著提高，尤其在高电流密度下表现出较长的放电时间和较高的比电容。在GCD测试中，所有EDLC均展现出接近理想的电容行为，高库仑效率和长时间稳定的循环性能，尤其是中性GPE和酸性GPE基EDLC。此外，组装的平面柔性EDLC进行串联和并联均展现出良好的实用性。
图4. 30°C到70°C温度范围内的离子导电性：(a) 中性GPEs，(b) 酸性GPEs，(c) 碱性GPEs。Arrhenius图：(d) 中性GPEs，(e) 酸性GPEs，(f) 碱性GPEs。在10 mV s
-1
下的CV曲线：(g) 中性GPEs，(h) 酸性GPEs，(i) 碱性GPEs。在0.5 A g
-1
下的GCD曲线：(j) 中性GPEs，(k) 酸性GPEs，(l) 碱性GPEs。
图5. 不同电流密度下的比电容和库仑效率：(a) 中性GPEs，(b) 酸性GPEs，(c) 碱性GPEs。能量密度和功率密度：(d) 中性GPEs，(e) 酸性GPEs，(f) 碱性GPEs。(g) 中性GPE基EDLCs在1 A g
-1
下经过20,000次GCD循环后的循环性能。(h) 酸性GPE基EDLCs在1 A g
-1
下经过30,000次GCD循环后的循环性能。(i) 碱性GPE基EDLCs在1 A g
-1
下经过10,000次GCD循环后的循环性能。库仑效率：(j) 中性GPEs，(k) 酸性GPEs，(l) 碱性GPEs。
基于LC的高性能凝胶聚电解质（GPE）为下一代能源存储技术提供了巨大的发展潜力。通过Zn
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与LC特定基团的配位作用，其结构被优化为具有三维网状多孔结构，具备高孔隙率和良好的电解质吸收能力，推动了其在EDLC中的卓越表现。尤其在酸性GPE中，EDLC展现了超高的比电容、优异的倍率性能以及稳定的电化学性能。平面GPE基EDLC表现出出色的机械柔性，适应各种应用场景，包括可穿戴设备和柔性电子。通过优化串联和并联配置，进一步提升了电化学性能，展现了广阔的实用性。采用可再生LC为主要材料的GPE，符合环保、安全和高效储能材料的未来发展趋势，为可持续能源存储技术开辟了新方向，具有巨大的应用前景。
“Study on the Performance of Electric Double-Layer Capacitors based on Lignocellulose Gel Polymer Electrolytes with Different pH Values for Zn
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-Lignocellulose Coordination Mechanism”
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.160418
黄韵教授简介：
2008 年毕业于西北工业大学获得材料学博士学位。四川省海外高层次留学人才、四川省第十批学术和技术带头人后备人选、国家留学基金委公派华盛顿州立大学访问学者、西南石油大学第二届中青年学术骨干、国家自然科学基金和四川省科技厅的科研项目评审专家。作为项目负责人或指导教师先后主持或指导国家自然科学基金、四川省自然科学基金、教育部博士学科点专项基金、国家重点实验室开放基金、国家级大学生创新创业训练项目和四川省教育厅青年基金等近20项纵向项目。在高水平期刊上发表论文150多篇，其中130多篇被SCI 收录；授权发明专利20多项。获得四川省教学成果三等奖1次，获得校级教学成果二等奖1次。获得省部级科技奖励2次。近年来先后多次获得校级本科生优秀毕业论文指导教师荣誉称号。为Nature communications、Angewandte Chemie、Energy Storage Materials等数十种国际期刊审稿人。
王煦教授简介：
1984年毕业于四川大学理论化学本科专业，获理学学士学位，后在西南石油大学任教至今。曾担任多个职务，包括化学教研室副主任、材料成型和腐蚀与防护教研室主任、新能源与材料学院副院长等。1989年在原石油工业部广州外语培训中心进修英语，1995年获得工学硕士学位，2000年获工学博士学位。曾兼任四川龙蟒集团科技中心副主任及研发部长，参与多个博士后研究工作。主讲物理化学、分析化学、化工热力学等，指导材料学、材料化学工程等研究生。主持国家级、省部级项目20余项，参与企业合作项目32项。其研究领域包括高分子材料应用基础及材料的腐蚀与防护，成果丰硕，获得多个教学、科研奖励，并在学术期刊发表60余篇论文，获国家专利10项，参与编写教材和专著5部。
