将废物转化为功能性材料：可大规模生产的基于粉煤灰的建筑材料，具备结构性能、能量存储及电热功能

《Applied Catalysis B-Environment and Energy》：Turning Waste to Function: Scalable Fly Ash-Based Building Materials with Structural, Energy Storage, and Electrothermal Capabilities

　　需求，本研究开发了一种基于粉煤灰的GeoAsh材料，通过碱激发和化学气相沉积制备了PEDOT涂层，赋予其优异的电热（-10℃仍有效）和储能（926 mF/cm2）性能，并成功应用于智能建筑和无线充电。

　　在当今社会，随着建筑行业对可持续材料需求的不断增长，传统建筑材料正面临新的挑战。现代基础设施的发展已不再局限于简单的支撑功能，而是向多功能、智能化和环保型材料转变。在这种背景下，研究者们开始探索能够同时具备结构性能和能源存储能力的新材料。本文介绍了一种名为GeoAsh的新型复合材料，其来源于工业固废——粉煤灰，并通过碱激发反应形成了具有高性能的材料体系。这种材料不仅具有与传统波特兰水泥相当的机械强度，还通过与聚(3,4-乙二氧噻吩)（PEDOT）的结合，赋予了其出色的电热和电化学性能，使其在建筑领域的应用前景广阔。

GeoAsh材料的制备基于粉煤灰中丰富的硅酸盐和铝酸盐成分，这些成分在碱性条件下表现出高度的反应活性。研究中发现，粉煤灰中含有约9%的α-Fe?O?，这一特性为材料提供了天然的氧化剂，使得在水热条件下可以实现PEDOT的原位聚合。通过这种方式，不仅避免了传统材料中引入额外氧化剂的复杂步骤，还确保了PEDOT涂层的均匀分布。这种材料在电热性能方面的表现尤为突出，其能够迅速响应电流，即使在极端低温环境下（如-10°C）也能维持良好的功能特性，这表明其在除冰应用中具有显著潜力。此外，GeoAsh与PEDOT的结合还使其成为结构超级电容器（SSC）的理想电极材料，展现出高达997 mF cm?2的面积电容和129 μWh cm?2的高能量密度，从而在建筑行业的能量存储领域提供了新的可能性。

传统的波特兰水泥（OPC）虽然在建筑领域广泛应用，但其生产过程能耗高，且对环境造成较大负担，尤其是二氧化碳排放问题。因此，寻找替代材料成为当前研究的重要方向。GeoAsh作为由粉煤灰制成的新型材料，不仅能够有效减少CO?排放，还具有更快的凝结速度和更优的早期及长期机械性能。研究还指出，通过将碳基材料如碳黑或碳纤维引入地聚合物体系，可以进一步提升其电化学性能。然而，现有研究中，结构超级电容器的能量密度通常较低，仅能达到10-20 μWh cm?2，而本文提出的GeoAsh-PEDOT复合材料则在这一方面取得了显著突破，为更广泛的应用场景提供了支持。

为了验证GeoAsh的性能，研究团队进行了多项材料表征实验。扫描电子显微镜（SEM）分析显示，PEDOT涂层与GeoAsh基体之间具有良好的附着力，且涂层厚度约为100 μm，这有助于提升其导电性和机械稳定性。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析进一步确认了PEDOT的沉积，其在1501、1311和668 cm?1处的新特征峰表明了与基体材料之间的化学结合。热重分析（TGA）结果也表明，GeoAsh及其PEDOT涂层在高温下表现出良好的热稳定性，这为材料在极端环境下的应用提供了保障。X射线光电子能谱（XPS）分析揭示了铁氧化物在材料中的化学状态变化，以及其在电化学反应中的关键作用。

在电热性能方面，GeoAsh-PEDOT复合材料表现出优异的加热响应能力。通过施加不同电压（6 V、12 V和18 V），材料能够在短时间内迅速升温，达到较高的温度水平。特别是在低温环境下，该材料依然能够保持稳定的加热性能，这为其在除冰应用中提供了实际价值。实验数据显示，即使在-10°C的条件下，施加18 V电压后，材料表面温度可以迅速上升至16.5°C，显示出良好的电热特性。此外，该材料的均匀热分布特性也保证了其在实际应用中的可靠性。

在电化学性能方面，GeoAsh-PEDOT复合材料同样表现出色。通过三电极和双电极体系的测试，研究团队评估了其在不同电解质条件下的性能。结果显示，使用1 M H?SO?电解液时，该材料表现出最高的面积电容和能量密度，这归因于H?离子的高迁移率和电化学反应的高效性。在双电极配置下，材料的面积电容达到994.7 mF cm?2，而能量密度则为129 μWh cm?2。这些数据表明，GeoAsh-PEDOT材料在能量存储方面具有显著优势。此外，研究还通过连接多个电容器单元，展示了其在实际应用中的可扩展性。通过串联或并联方式，该材料可以调节电压和电流，满足不同的能量需求。

值得注意的是，GeoAsh-PEDOT材料在电化学性能方面表现出良好的循环稳定性。经过1500次充放电循环后，其电容保持率仍高达85.8%，这一性能与传统电容器相比具有明显优势。同时，XRD和FT-IR分析表明，材料在循环过程中其矿物相组成和PEDOT涂层基本保持不变，进一步验证了其在实际应用中的耐久性。此外，该材料还能够与多种电解质兼容，显示出其在不同应用场景下的广泛适应性。

除了电热和电化学性能，GeoAsh-PEDOT材料在实际应用中也展现出强大的多功能性。研究团队设计了一种基于该材料的太阳能房屋模型，其中GeoAsh砖作为能量存储单元，能够有效吸收太阳能并将其转化为电能，供夜间照明使用。这一应用不仅展示了材料在智能建筑中的潜力，还表明其能够与可再生能源系统无缝集成，从而推动绿色建筑的发展。此外，该材料还被用于无线充电装置的构建，通过将超级电容器单元与发射线圈和接收线圈结合，实现了电能的无线传输，为未来的智能基础设施提供了新的思路。

GeoAsh-PEDOT材料的成功开发，不仅为建筑行业提供了可持续的解决方案，还为未来的智能基础设施建设打开了新的大门。其能够在不牺牲结构性能的前提下，实现能量存储和电热功能的集成，为减少对传统能源系统的依赖提供了可能。此外，该材料的低成本和可扩展性，使其在大规模应用中具备较高的可行性。未来，研究者们计划进一步探索如何将电热和电化学功能集成到单一系统中，以充分发挥其多功能优势。这不仅有助于提升材料的综合性能，也为实现更加高效、环保的建筑解决方案提供了理论支持和技术路径。