當(dāng)前，全球每年生產(chǎn)約1.5億噸香蕉，其中香蕉重量的35%是果皮，香蕉皮廢棄物的數(shù)量龐大。如果這些廢棄物得不到妥善處理，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。此外，多晶硅生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物四氯化硅（SiCl4）具有強(qiáng)腐蝕性和毒性，遇潮濕空氣會(huì)水解生成硅酸和氯化氫，對(duì)設(shè)備和環(huán)境造成嚴(yán)重腐蝕，同時(shí)對(duì)人類(lèi)健康也有危害。如何實(shí)現(xiàn)香蕉皮和多晶硅副產(chǎn)物SiCl4的有效資源化利用，一直是科研人員面臨的挑戰(zhàn)。

 近日，碳中和與清潔能源技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)提供了一種生物質(zhì)香蕉皮和多晶硅副產(chǎn)物SiCl4“變廢為寶”的策略，成功制備了富含“C-O-Si”鍵硅摻雜炭材料。樣品Si-BP-Carbon的Si摻雜量為11.8 wt%，比表面積為114.9 m²·g?¹，具有優(yōu)異的親水性（接觸角接近0°）。該材料表現(xiàn)出了優(yōu)異的電催化氧還原（ORR）性能，其擴(kuò)散限制電流密度為4.69 mA·cm-2，半波電位可達(dá)0.813 V（vs. RHE），相較于未摻雜Si的樣品提升了155 mV。同時(shí)，通過(guò)Si摻雜，材料對(duì)O2分子和*OOH中間體的吸附能力顯著增強(qiáng)，提升了ORR活性和4電子路徑，有效抑制了2電子路徑，抑制了H2O2的副反應(yīng)，提高了ORR的能量效率和產(chǎn)物選擇性。此外，Si-BP-Carbon作為鋰離子電池負(fù)極材料，豐富的C-O-Si鍵為L(zhǎng)i+離子提供了額外的吸附位點(diǎn)，增強(qiáng)了材料的Li+存儲(chǔ)能力，在50 mA·g-1的電流密度下，經(jīng)過(guò)100個(gè)循環(huán)后放電比容量可達(dá)409.4 mAh·g-1。

相關(guān)成果以“Modulation of Electron Distribution and Intermediates Adsorption by C-O-Si Sites for Efficient Oxygen Reduction and Lithium Storage（http://dx.doi.org/10.1039/D4GC05650G）”為題發(fā)表于《Green Chemistry（中科院一區(qū)TOP期刊，IF = 9.3）》。論文第一作者為石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院研究生楊守華、唐贏和楊振，通訊作者是楊盛超教授、吉俊懿教授、于鋒教授。

圖1 (a, d) SEM圖；(b ,c ,e ,f) TEM圖；(g) Si-BP-Carbon的EDS圖譜。

 圖2 (a) XRD譜圖、(b) 拉曼光譜、(c) FT-IR光譜、(d) 潤(rùn)濕性測(cè)試、(e) 氮?dú)獾葴匚摳角€(xiàn)、(f) 29Si NMR和(g-l) XPS譜圖。

圖3 (a) CV曲線(xiàn)、(b) Cdl曲線(xiàn)、(c) LSV曲線(xiàn)、(d) H2O2電流響應(yīng)測(cè)試、(e) 過(guò)氧化氫產(chǎn)率和電子轉(zhuǎn)移數(shù)曲線(xiàn)、(f) Tafel斜率、(g) EIS曲線(xiàn)、(h) 耐甲醇測(cè)試、(i) 計(jì)時(shí)-安培i-t曲線(xiàn)。

圖4 (a) 電荷差分密度、(b) 含氧中間體的吸附能、(c) 吸附電子密度差、(d) 2電子和(e-g) 4電子ORR吉布斯自由能圖。

圖5 (a) 微分電容曲線(xiàn)、(b) 贗電容貢獻(xiàn)百分比、(c) 循環(huán)性能、(d) 分子動(dòng)力學(xué)模擬BP-Carbon的Li+吸附量和(e) 倍率性能。