基于野生酸枣仁的协同活化掺杂策略构建多杂原子共掺杂分级多孔碳及其高性能超级电容器应用

《Biomass and Bioenergy》：Synergistic activation-doping strategy for constructing N/O/B/S Co-doped hierarchical porous carbon from wild jujube pit towards high-performance supercapacitors

本文报道了一种以野生酸枣仁为碳源、K2CO3/(NH4)2SO4/H3BO3三元体系同步调控孔结构演化与杂原子掺杂的创新策略。所制备的N/O/B/S共掺杂分级多孔碳（JS1211）具有高比表面积（1496 m2 g?1）和分级孔隙（微孔0.4–0.8 nm/介孔2–10 nm），在超级电容器中展现411 F g?1的高比电容和优异倍率性能（20 A g?1下保持81.75%），为生物质衍生电极材料设计提供了新思路。

　　

材料微观结构分析

我们以野生酸枣仁为原料，以K₂CO₃为活化剂、H₃BO₃/(NH₄)₂SO₄为双掺杂助剂，成功制备了N/O/B/S共掺杂分级多孔碳（JS1211）。系统表征揭示了H₃BO₃/(NH₄)₂SO₄对分级孔形成和电化学性能的协同调控作用。图2对比了微观结构演化过程：（a-d）分别为JS1200（仅K₂CO₃）、JS1210（K₂CO₃+H₃BO₃）、JS1201（K₂CO₃+(NH₄)₂SO₄）和JS1211（三元体系）的SEM图像。JS1200呈现光滑表面与稀疏孔隙，而JS1211展现出由H₃BO₃熔融模板与(NH₄)₂SO₄气相蚀刻协同作用形成的蜂窝状互联介孔网络（2-10 nm）。这种多级孔道结构为电解质离子传输提供了"高速公路网"。

三电极测试

在6 M KOH电解液的三电极体系中评估了系列碳材料的电化学性能。10 mV s^?1扫描速率下的循环伏安（CV）曲线显示所有样品均呈现准矩形形状（图5a）。其中JS1211的CV积分面积最大，对应最高比电容（411 F g^?1，附表A6），这与其高达49.4%的吡啶氮（N-6）含量直接相关。高扫描速率下CV曲线的轻微变形表明JS1211具有优异的倍率性能——在20 A g^?1电流密度下仍保持81.75%的容量，这得益于其分级孔隙对离子扩散阻力的有效降低。恒流充放电（GCD）曲线（图5b）呈现对称三角形，库伦效率达100.46%，证明其高度可逆的电荷存储行为。

结论

本研究开发了基于野生酸枣仁的协同活化掺杂策略，成功构建了N/O/B/S共掺杂分级多孔碳JS1211。材料表征证实K₂CO₃/(NH₄)₂SO₄/H₃BO₃三元活化剂体系通过分级活化机制实现精确的孔结构控制：K₂CO₃主导生成微孔网络（0.4–0.8 nm），H₃BO₃模板化构建介孔（0.4–9 nm）并引入B掺杂剂，而(NH₄)₂SO₄蚀刻同步扩孔并实现N/S共掺杂。DFT计算揭示了从结构畸变→电子重构→性能优化的三级掺杂机制。该工作为开发高性能生物质衍生超级电容器电极提供了新视角。