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研究背景

生物質(zhì)因其種類豐富、來源廣泛、價廉易得以及形貌可控而被認為是一種很有發(fā)展前景的制備功能碳材料的原料來源。近些年來，國內(nèi)外學者大多以可持續(xù)生物質(zhì)為前驅(qū)體，設計組裝出的生物質(zhì)超級電容器（Biomass supercapacitors，BSC）兼具生物質(zhì)質(zhì)優(yōu)價廉、原料易獲得且綠色可再生和超級電容器快速充放電、高功率密度及優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性的獨特優(yōu)勢。同時，為避免材料制備過程中復雜的造孔技術和去模板過程，一些學者逐漸開始關注具有天然管狀結構的生物質(zhì)，如竹子、木材、秸稈、植物根莖等。特別是木材和木質(zhì)生物質(zhì)，因具有來源廣泛、可再生、種類豐富、可生物降解等獨一無二的優(yōu)勢，在眾多生物質(zhì)原料中以獨特的姿態(tài)，引起了人們極大的興趣。再加上其低灰分含量、高木質(zhì)素含量和保留了原始生物質(zhì)孔隙結構等諸多優(yōu)點，更是被認為是制備生物質(zhì)基碳電極的理想原料。其中，尤以楊木作為速生經(jīng)濟林木已

存在多種制備處理方法，如活化法、熱解、水熱碳化(HTC)等。目前大多數(shù)研究學者一般采用碳化結合后續(xù)熱解或活化進行兩步合成，這可以促使碳材料具有豐富的氧基和高孔隙率。木材內(nèi)部具有可為生命體運輸生長必須的水份和無機鹽的天然管狀結構，以此作為基底模板可減免繁瑣的實驗制備過程，縮減制備工序。然而，由于木質(zhì)纖維素固有的復雜結構，如何將其轉化為具有高孔隙率的水熱碳材料仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

在此基礎之上，北華大學張健、林琳教授研究團隊報道了一種以速生楊木為碳源，同時具備較高電容性能與分層孔隙結構（介孔/微孔共存）的楊木基多孔碳材料。該團隊以楊木為碳前驅(qū)體，綠色無毒的無機鹽（LiCl/ZnCl2）作為固基模板和增孔劑輔助水熱處理協(xié)同調(diào)節(jié)材料的孔隙結構，并結合效果溫和的活化劑（草酸鉀，K2C2O4）進一步高溫碳化活化，實現(xiàn)了在木材內(nèi)部構筑互聯(lián)互通的網(wǎng)絡結構，推動與活化劑及模板的密切接觸，制得的楊木基碳電極材料兼具高比表面積（Specific surface area，SSA）和可控孔隙結構，從而使楊木基碳材料得到進一步的提升。所得碳材料具有獨特的分層多孔結構/豐富的層次孔隙結構及高介孔孔隙率（介孔孔容占比高達62.92%）。通過在前驅(qū)體（楊木）中加入綠色無污染的鹽模板LiCl/ZnCl2，實現(xiàn)碳材料內(nèi)部孔隙結構的細微調(diào)控，盡可能減少了在反應過程中產(chǎn)生孔隙結構坍塌，并結合高溫碳化活化處理，進一步提高了碳材料的孔隙率，有效提高了材料的比電容。當電流密度為0.25 mA g-1時，CW-3.5Y2電極的比電容高達101.41 F g-1。經(jīng)過10,000次充/放電循環(huán)后，電容保留率為96.7%，表明CW-3.5A具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，整體電化學性能極佳。

該工作展示了一種借助綠色無毒鹽模板與溫和活化劑實現(xiàn)協(xié)同構筑楊木內(nèi)部分層孔隙結構調(diào)控的有效策略，為設計高性能生物質(zhì)碳電極材料提供了一種行之有效的綠色制備方式。相關成果以“Salt-templated two-step activation synthesis of poplar-derived hierarchical porous carbon for high-performance supercapacitor electrodes”為題發(fā)表在《Industrial Crops & Products》上。(中科院一區(qū)TOP，JCR一區(qū)，IF=6.2)

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實驗數(shù)據(jù)

圖1. 兩步法制備楊木基多孔碳示意圖

圖2. 楊木基碳材料的橫截面與縱向截面掃描電鏡（SEM）圖像：（a-c）CW；（d-f）CW-S；CW-YA：（g-h）CW-Y2；（i-j）CW-Y3；（k-l）CW-Y4

圖3. 楊木基碳材料的橫截面與縱截面掃描電鏡圖像：（a-b）CW-1.5S；（c-d）CW-1.5Y2；（e-f）CW-2.5Y2；（g-h）CW-3.5Y2

圖4. (a) 楊木基碳材料的氮吸附與脫附曲線；（b，c）孔徑分布

圖5. 楊木基碳材料的(a) XRD 圖譜；(b)拉曼光譜

圖6. (a) XPS 楊木基碳材料的全譜；（b-d）CW-1.5Y2、CW-2.5Y2和CW-3.5Y2的高分辨O1s譜

圖7. 三電極體系中楊木基碳材料的電化學性能：(a) 循環(huán)伏安曲線；(b) 恒流充放電曲線；(c) 交流阻抗譜

圖8. CW-3.5Y2的電化學性能：(a) 循環(huán)伏安曲線；(b) 恒流充放電曲線；(c) 交流阻抗譜；(d) 循環(huán)性能

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研究結論

本文以楊木為前驅(qū)體，探究了水熱處理和活化劑用量對楊木基碳材料結構的影響機制。鹽模板在提供孔隙支撐方面起著關鍵作用。在后續(xù)活化過程中，草酸鉀和碳酸鈣發(fā)生進一步反應和分解，有效增加了材料的活性位點和導電性。最優(yōu)電極材料CW-3.5Y2表現(xiàn)出適宜的比表面積（296 m2 g?1）、高石墨化度、高電容（101.41 F g?1）以及分級孔結構（介孔與微孔共存）。在10 mA g?1電流下經(jīng)過10,000次循環(huán)后，其電容保持率達到96.7%，表明其作為超級電容器電極材料具有巨大潛力?？傮w而言，本工作將顯著推動超級電容器儲能領域中木基碳材料的開發(fā)與優(yōu)化。它不僅為木材的多向利用提供了有前景的途徑，還為提升碳電極材料的電化學性能提供了一種有效的合成與制備策略。

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DOI:10.1016/j.indcrop.2025.122105

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