Ind. Crop. Prod.||盐模板两步法活化合成杨木衍生多孔碳用于高性能超级电容器电极

1

研究背景

生物质因其种类丰富、来源广泛、价廉易得以及形貌可控而被认为是一种很有发展前景的制备功能碳材料的原料来源。近些年来，国内外学者大多以可持续生物质为前驱体，设计组装出的生物质超级电容器（Biomass supercapacitors，BSC）兼具生物质质优价廉、原料易获得且绿色可再生和超级电容器快速充放电、高功率密度及优异循环稳定性的独特优势。同时，为避免材料制备过程中复杂的造孔技术和去模板过程，一些学者逐渐开始关注具有天然管状结构的生物质，如竹子、木材、秸秆、植物根茎等。特别是木材和木质生物质，因具有来源广泛、可再生、种类丰富、可生物降解等独一无二的优势，在众多生物质原料中以独特的姿态，引起了人们极大的兴趣。再加上其低灰分含量、高木质素含量和保留了原始生物质孔隙结构等诸多优点，更是被认为是制备生物质基碳电极的理想原料。其中，尤以杨木作为速生经济林木已

存在多种制备处理方法，如活化法、热解、水热碳化(HTC)等。目前大多数研究学者一般采用碳化结合后续热解或活化进行两步合成，这可以促使碳材料具有丰富的氧基和高孔隙率。木材内部具有可为生命体运输生长必须的水份和无机盐的天然管状结构，以此作为基底模板可减免繁琐的实验制备过程，缩减制备工序。然而，由于木质纤维素固有的复杂结构，如何将其转化为具有高孔隙率的水热碳材料仍然是一个巨大的挑战。

在此基础之上，北华大学张健、林琳教授研究团队报道了一种以速生杨木为碳源，同时具备较高电容性能与分层孔隙结构（介孔/微孔共存）的杨木基多孔碳材料。该团队以杨木为碳前驱体，绿色无毒的无机盐（LiCl/ZnCl2）作为固基模板和增孔剂辅助水热处理协同调节材料的孔隙结构，并结合效果温和的活化剂（草酸钾，K2C2O4）进一步高温碳化活化，实现了在木材内部构筑互联互通的网络结构，推动与活化剂及模板的密切接触，制得的杨木基碳电极材料兼具高比表面积（Specific surface area，SSA）和可控孔隙结构，从而使杨木基碳材料得到进一步的提升。所得碳材料具有独特的分层多孔结构/丰富的层次孔隙结构及高介孔孔隙率（介孔孔容占比高达62.92%）。通过在前驱体（杨木）中加入绿色无污染的盐模板LiCl/ZnCl2，实现碳材料内部孔隙结构的细微调控，尽可能减少了在反应过程中产生孔隙结构坍塌，并结合高温碳化活化处理，进一步提高了碳材料的孔隙率，有效提高了材料的比电容。当电流密度为0.25 mA g-1时，CW-3.5Y2电极的比电容高达101.41 F g-1。经过10,000次充/放电循环后，电容保留率为96.7%，表明CW-3.5A具有良好的循环稳定性，整体电化学性能极佳。

该工作展示了一种借助绿色无毒盐模板与温和活化剂实现协同构筑杨木内部分层孔隙结构调控的有效策略，为设计高性能生物质碳电极材料提供了一种行之有效的绿色制备方式。相关成果以“Salt-templated two-step activation synthesis of poplar-derived hierarchical porous carbon for high-performance supercapacitor electrodes”为题发表在《Industrial Crops & Products》上。(中科院一区TOP，JCR一区，IF=6.2)

2

实验数据

图1. 两步法制备杨木基多孔碳示意图

图2. 杨木基碳材料的横截面与纵向截面扫描电镜（SEM）图像：（a-c）CW；（d-f）CW-S；CW-YA：（g-h）CW-Y2；（i-j）CW-Y3；（k-l）CW-Y4

图3. 杨木基碳材料的横截面与纵截面扫描电镜图像：（a-b）CW-1.5S；（c-d）CW-1.5Y2；（e-f）CW-2.5Y2；（g-h）CW-3.5Y2

图4. (a) 杨木基碳材料的氮吸附与脱附曲线；（b，c）孔径分布

图5. 杨木基碳材料的(a) XRD 图谱；(b)拉曼光谱

图6. (a) XPS 杨木基碳材料的全谱；（b-d）CW-1.5Y2、CW-2.5Y2和CW-3.5Y2的高分辨O1s谱

图7. 三电极体系中杨木基碳材料的电化学性能：(a) 循环伏安曲线；(b) 恒流充放电曲线；(c) 交流阻抗谱

图8. CW-3.5Y2的电化学性能：(a) 循环伏安曲线；(b) 恒流充放电曲线；(c) 交流阻抗谱；(d) 循环性能

3

研究结论

本文以杨木为前驱体，探究了水热处理和活化剂用量对杨木基碳材料结构的影响机制。盐模板在提供孔隙支撑方面起着关键作用。在后续活化过程中，草酸钾和碳酸钙发生进一步反应和分解，有效增加了材料的活性位点和导电性。最优电极材料CW-3.5Y2表现出适宜的比表面积（296 m2 g−1）、高石墨化度、高电容（101.41 F g−1）以及分级孔结构（介孔与微孔共存）。在10 mA g−1电流下经过10,000次循环后，其电容保持率达到96.7%，表明其作为超级电容器电极材料具有巨大潜力。总体而言，本工作将显著推动超级电容器储能领域中木基碳材料的开发与优化。它不仅为木材的多向利用提供了有前景的途径，还为提升碳电极材料的电化学性能提供了一种有效的合成与制备策略。

4

DOI:10.1016/j.indcrop.2025.122105

声明：仅代表个人观点，科研水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！！！