通过氮-钼共掺杂在椰壳衍生多孔活化生物炭中实现伪电容行为调制与能量存储优化

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Pseudocapacitive behavior modulation and energy storage optimization via nitrogen-molybdenum co-doping in coconut shell-derived porous activated biochar

氮钼共掺杂椰壳多孔活性炭的制备及其超级电容器性能研究。通过碳化、化学活化和掺杂工艺制备CPB-KNM800材料，表征显示氮掺杂引入活性氮位点，钼掺杂形成MoOx/MoN/MoC异相相，协同优化微/介孔结构（BET比表面积1263.4m2/g，微孔体积占比89%），实现高比电容（450F/g@1A/g）和长循环稳定性（94%@10A/g）。

　　本研究围绕如何提升超级电容器电极材料的电容性能展开，重点探讨了通过碳基质异原子掺杂这一策略的有效性。随着全球对清洁能源和可持续发展的关注不断加深，超级电容器因其在功率密度、充放电速率和循环寿命方面的显著优势，成为储能技术领域的重要发展方向。然而，现有的电极材料在性能上仍面临诸多挑战，如导电性不足、活性位点密度有限以及在循环过程中结构稳定性差等问题。为解决这些难题，研究团队提出了一种创新的异原子共掺策略，利用椰壳这一生物质材料作为基础，通过一系列工艺步骤设计出氮-钼共掺杂的椰壳多孔活化生物炭（CPB-KNM800）电极材料，以期在提升电容性能的同时，增强材料的结构稳定性和离子传输效率。

在当前的能源需求背景下，超级电容器作为一种高效的储能装置，具备快速充放电、长循环寿命和高安全性等优点，因此在便携式电子设备、电动汽车以及智能电网等领域展现出广阔的应用前景。然而，其性能的进一步提升依赖于电极材料的优化设计。传统的电极材料多采用高比表面积的碳基材料，如活性炭、石墨烯等，但这些材料在电容性能上仍有局限。为此，研究团队引入了异原子掺杂技术，旨在通过调控材料的电子结构和化学组成，从而提升其电化学性能。异原子掺杂不仅可以引入新的活性位点，还能改善材料的导电性、离子扩散能力和结构稳定性，从而显著增强其在超级电容器中的应用潜力。

本研究中，研究人员通过顺序碳化、化学活化和掺杂工艺，成功制备了氮-钼共掺杂的椰壳多孔活化生物炭（CPB-KNM800）。椰壳作为一种丰富的生物质资源，具有天然的多孔结构和较高的碳含量，是制备高性能碳基材料的理想原料。通过引入氮和钼两种异原子，研究人员不仅优化了材料的微观结构，还进一步提升了其电化学性能。氮的掺杂为材料提供了丰富的电活性位点，如吡啶氮和吡咯氮，这些位点在电容储能过程中发挥着重要作用。而钼的掺杂则具有双重功能：一方面，它能够通过模板效应促进介孔结构的形成，另一方面，在高温处理过程中，钼还能与碳基质发生反应，生成钼氧化物、氮化物和碳化物等异相物质，从而进一步改善材料的导电性和结构特性。

为了全面评估CPB-KNM800的性能，研究团队采用了多种材料表征手段，包括扫描电子显微镜（SEM-EDS）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）和X射线光电子能谱（XPS）。这些技术不仅揭示了材料的微观形貌和元素分布，还帮助研究人员理解了材料的结构-性能关系。通过SEM-EDS分析，研究人员观察到CPB-KNM800具有高度发达的蜂窝状多孔结构，其孔隙分布均匀，为离子的快速传输提供了良好的通道。XRD和Raman光谱的结果进一步证实了材料中石墨微晶的有序排列，这有助于提高其导电性和电荷存储能力。而XPS分析则显示，氮和钼的掺杂显著改变了材料的表面化学特性，形成了丰富的电活性位点，为电容性能的提升奠定了基础。

除了材料的结构特性，研究人员还关注了其比表面积和孔隙分布对电容性能的影响。通过Brunauer-Emmett-Teller（BET）测试，研究团队发现CPB-KNM800具有显著的分级孔结构，其比表面积高达1263.4 m2·g?1，其中微孔体积占比高达89%。这种多尺度孔隙结构不仅增加了材料的表面积，还为离子的快速扩散提供了通道，从而显著提升了超级电容器的功率密度和能量密度。此外，研究人员还通过电化学测试验证了CPB-KNM800的电容性能，结果显示其在1 A·g?1的电流密度下，最大比电容可达到450 F·g?1，且在10 A·g?1的高电流密度下，仍能保持94%的容量保持率，表现出优异的循环稳定性。这一结果表明，CPB-KNM800不仅具备出色的电容性能，还能在高电流密度下保持良好的稳定性，为高性能超级电容器电极材料的开发提供了新的思路。

在实际应用中，超级电容器的性能不仅取决于电极材料本身的特性，还与整个器件的配置密切相关。因此，研究团队也对CPB-KNM800在实际器件中的表现进行了初步探讨。尽管目前的研究主要基于三电极系统进行评估，但团队认识到，在实际应用中，超级电容器通常采用双电极系统，因此有必要进一步研究其在双电极配置下的性能表现。团队指出，由于实验条件和时间限制，目前尚未进行全面的双电极器件测试，但未来的研究将重点关注这一方面，以更全面地评估CPB-KNM800在实际应用中的潜力。此外，团队还提到，材料的自放电行为、能量密度和功率密度等关键性能指标也需要进一步优化，以满足不同应用场景的需求。

从研究背景来看，当前的超级电容器研究主要集中在电极材料的优化设计上，而异原子掺杂作为一种有效的策略，已被广泛应用于提升材料的电容性能。然而，尽管已有大量研究探讨了单一异原子掺杂对材料性能的影响，但异原子之间的协同作用仍然缺乏系统性的研究。因此，本研究通过引入氮和钼的共掺杂策略，不仅优化了材料的结构特性，还探索了异原子之间可能存在的协同效应。这种协同效应可能源于氮和钼在材料中的电子相互作用，例如，氮的高电负性可能促进钼在碳基质中的均匀分布，从而增强其在材料中的功能表现。此外，氮和钼的共同作用可能进一步优化材料的导电性和电荷存储能力，使其在高性能超级电容器中具有更强的竞争力。

在材料制备方面，研究人员采用了顺序碳化、化学活化和掺杂的工艺流程，以确保氮和钼的均匀分布和有效掺杂。首先，椰壳粉末经过干燥、研磨和筛分处理，以获得适合后续工艺的原料。随后，通过化学活化（如KOH活化）进一步增强材料的多孔结构，提高其比表面积和孔隙率。在活化过程中，研究人员还引入了氮源（如尿素）和钼源（如钼盐），通过控制掺杂条件，实现了氮和钼的协同作用。这种工艺流程不仅能够充分利用椰壳的天然结构优势，还能通过精确的掺杂控制，提升材料的综合性能。

从实验结果来看，CPB-KNM800在电化学性能上表现出色，其比电容和循环稳定性均优于传统材料。这一性能优势主要归因于其独特的多孔结构和异原子掺杂带来的表面化学特性变化。具体而言，多孔结构为离子的快速传输提供了通道，而异原子掺杂则通过引入新的活性位点，增强了材料的电容贡献。此外，氮和钼的协同作用可能进一步优化材料的导电性和电荷存储能力，使其在高电流密度下仍能保持较高的电容输出。这些特性使得CPB-KNM800成为一种具有广泛应用前景的高性能超级电容器电极材料。

在实际应用中，超级电容器的性能不仅与电极材料有关，还受到电解质、隔膜、集流体等组件的影响。因此，研究团队在讨论中也提到了材料在实际器件中的集成可能性。尽管目前的研究主要集中在材料本身的性能优化上，但未来的工作将需要进一步探讨如何将CPB-KNM800与其他组件相结合，以构建高效的超级电容器器件。此外，研究团队还指出，材料的自放电行为和能量密度等关键指标也需要进一步优化，以满足不同应用场景的需求。

总体而言，本研究通过引入氮-钼共掺杂策略，成功制备了一种具有优异电容性能和结构稳定性的新型超级电容器电极材料。该材料不仅具备高度发达的多孔结构，还通过异原子掺杂提升了其表面化学特性和导电性，从而在高电流密度下表现出出色的循环稳定性。这些特性使得CPB-KNM800在高性能超级电容器领域具有重要的应用价值。未来的研究将进一步探索该材料在实际器件中的表现，以及如何通过优化材料结构和组成，进一步提升其性能，以满足更广泛的应用需求。