氮掺杂木棉/壳聚糖碳基自支撑电极的电化学性能优化及其在超级电容器中的应用

本研究针对生物质碳材料导电性差、孔隙结构不均等问题，通过尿素氮掺杂技术制备了N-CKx自支撑碳气凝胶电极。N-CK900在900°C碳化后展现出507 m2·g?1比表面积和246.2 F·g?1比电容，为高性能电极设计提供了新思路，推动储能技术发展。

　　

在能源存储领域，生物质衍生碳材料因其高比表面积和环保特性备受关注，但导电性不足和结构不均匀等问题严重制约其实际应用。以木棉纤维(KF)和壳聚糖(CS)为原料的碳气凝胶虽具潜力，但纯碳骨架缺乏活性位点，性能难以突破。齐鲁工业大学（山东省科学院）的研究团队在《Journal of Energy Storage》发表论文，通过尿素氮掺杂技术成功制备出N-CK_x系列自支撑电极，其中N-CK₉₀₀展现出246.2 F·g^?1的超高比电容，为生物质碳材料的性能优化提供了创新方案。

研究采用尿素溶液浸渍结合冷冻干燥技术，将氮元素均匀负载于KF/CS复合体系，经高温碳化获得三维网络结构。通过SEM/TEM观察微观形貌，BET测试分析孔隙特征，XPS和拉曼光谱验证氮掺杂类型及缺陷密度，并系统评估了电化学性能。

形态学表征显示N-CK₉₀₀具有管状-层状交织的立体网络，EDS证实氮元素均匀分布。孔隙结构分析发现其比表面积虽降至507 m²·g^?1，但微孔率保持73.5%，拉曼光谱I_D/I_G值升至0.98，表明缺陷密度增加。XPS结果显示5.7%的氮掺杂量，其中吡啶氮(N-6)和吡咯氮(N-5)贡献赝电容，石墨氮(N-Q)增强导电性。电化学测试证实N-CK₉₀₀在6 M KOH电解液中，1 A·g^?1电流密度下电容值较未掺杂样品提升22%，循环5000次后容量保持率达92.3%。

该研究创新性地通过单一氮源掺杂策略，同步优化了碳材料的导电性和表面活性。N-CK₉₀₀中氮物种的协同作用不仅提供额外赝电容，还改善了电极-电解液界面润湿性。相比传统活化工艺，该方法在保持高微孔率的同时引入可控缺陷，为生物质碳电极的精准设计提供了范例。研究成果对开发低成本、高性能储能器件具有重要指导意义，尤其为柔性自支撑电极的工业化应用开辟了新路径。