杨絮衍生的氮/硫双掺杂多孔碳微管作为染料敏化太阳能电池高性能对电极的研究

　　本文推荐研究人员针对染料敏化太阳能电池（DSCs）中Pt对电极成本高、稳定性差的问题，以可再生生物质杨絮为碳源、硫脲为氮/硫源，通过直接热解法制备了氮/硫双掺杂多孔碳微管（NSPCMTs）。该材料具有379.55?m2 ?g?1 的高比表面积和独特的微管结构，其电催化性能与Pt电极相当，使DSCs效率达8.27%，为低成本高性能对电极的开发提供了新策略。

　　

每年春季，杨絮如雪花般飘落，常被视为环境负担，但科学家们却从中看到了机遇。这些富含纤维素、半纤维素和木质素的生物废弃物，因其独特的微管结构，成为制备高性能碳材料的理想前体。与此同时，染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cells, DSCs）作为一种低成本、易制备的光伏技术，正面临关键瓶颈——传统铂（Pt）对电极虽性能优异，但高昂的成本和易被I^?
/I₃
^?
电解质腐蚀的特性，严重制约其大规模应用。如何开发兼具低成本、高催化活性和稳定性的替代材料，成为领域内亟待解决的难题。

针对这一挑战，中国的研究团队创新性地利用杨絮和硫脲，通过一步热解法制备出氮/硫双掺杂多孔碳微管（N/S dual-doped porous carbon microtubes, NSPCMTs）。研究发现，该材料不仅继承了杨絮的天然微管形貌，还通过硫脲引入的氮（N）和硫（S）原子形成双掺杂效应，同步在管壁上构建多孔结构，比表面积高达379.55?m²
?g^?1
。这种独特的结构组合显著提升了电化学活性位点数量和电荷传输效率，使其在循环伏安（CV）和电化学阻抗谱（EIS）测试中展现出与Pt电极相当的催化性能。最终，基于NSPCMTs对电极的DSCs实现了8.27%的光电转换效率，逼近传统Pt基电池水平。该成果发表于《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》，为生物质衍生碳材料在新能源领域的应用开辟了新路径。

研究团队采用的关键技术包括：以中国东北地区采集的杨絮为原料，通过乙醇和去离子水清洗后与硫脲溶液混合，在850?°C氮气氛围下直接热解制备NSPCMTs；通过扫描电镜（SEM）和比表面积分析（BET）表征材料形貌与孔隙结构；利用X射线光电子能谱（XPS）确认N/S掺杂状态；采用CV和EIS评估电催化性能；最终组装DSCs并测试其光电转换效率。

Preparation of NSPCMTs and fabrication of DSCs
研究通过简单热解杨絮-硫脲混合物获得NSPCMTs，保留了杨絮的天然微管结构，同时硫脲分解产生的气体在管壁上造孔，形成多级孔道。酸洗处理有效去除了杂质，确保了材料纯度。

Results and discussion
SEM显示NSPCMTs具有连续的中空管状结构，直径约5?μm，管壁布满纳米级孔隙。XPS证实N以吡啶氮（pyridinic-N）和石墨氮（graphitic-N）形式存在，S则以C-S-C键嵌入碳骨架，二者协同优化了电荷分布。电化学测试表明，NSPCMTs对I₃
^?
还原反应的起始电位与Pt电极一致，电荷转移电阻（R_ct
）低至2.3?Ω，归因于掺杂原子的电子效应和孔隙加速的离子扩散。

Conclusions
该研究证实生物质直接转化策略可高效制备高性能碳材料。N/S双掺杂与多孔微管结构的协同作用，使NSPCMTs兼具高导电性和丰富催化位点，其性能媲美Pt电极而成本大幅降低。这一成果不仅为DSCs对电极提供了可持续解决方案，也为其他电化学器件（如超级电容器、燃料电池）的生物质碳设计提供了范式。

CRediT authorship contribution statement
Jihui Li负责实验与初稿撰写；Dongsheng Wang参与数据分析；Guiqiang Wang主导项目设计与论文修改；Fanning Meng协助实验设计与结果讨论。所有作者均声明无利益冲突。