综述：先进生物质衍生碳材料在超级电容器中的应用：制备方法、结构-性能关系、改性与展望

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Advanced biomass-derived carbon materials for supercapacitors: fabrication methods, structure-property relationships, modifications, and prospects

本综述系统阐述了生物质衍生碳材料在超级电容器（SC）中的前沿进展，重点探讨了其制备策略（如高温退火、电纺丝等）、结构调控（微/介/大孔协同）与电化学性能（EDLC/PC/HSC）的构效关系，并展望了其在智能电网、电动汽车等能源存储领域向高性能、可持续方向发展的挑战与前景。

　　

引言

超级电容器（SC），作为当代重要的能量存储器件，凭借其高功率密度、快速充放电能力以及卓越的循环稳定性，在智能电网、电动汽车和可穿戴技术等领域展现出巨大应用潜力。根据工作机制的不同，超级电容器主要分为双电层电容器（EDLC）、赝电容器（PC）和混合超级电容器（HSC）。其中，碳基电极材料因其高导电性、电化学稳定性和商业化可行性而备受青睐。特别是生物质衍生碳材料，以其价格低廉、资源可再生、性能可调等优势，正成为传统碳材料的有力替代品。

关键性能：提升电化学性能的碳材料特性

生物质衍生碳材料的电化学性能与其关键物理化学性质密切相关。比表面积和孔结构是核心影响因素。孔径分布通常分为三类：微孔（<2纳米）提供巨大的比表面积以形成双电层（EDLC）；介孔（2-50纳米）作为低电阻离子传输通道；大孔（>50纳米）则充当离子缓冲层，缩短电解质扩散距离。这三者协同作用可实现高性能电容。此外，材料的结晶度、微观形貌以及表面化学（如杂原子掺杂引入的活性位点）也深刻影响着其电容行为，尤其是对赝电容（PC）的贡献。

生物质衍生碳材料的合成策略

生物质衍生碳材料的合成方法多样，从简单的一步法到复杂的多步法，旨在精确调控最终产物的结构。常见的前处理技术包括水热法、低温碳化/煅烧、球磨以及溶液浸泡等。先进的合成技术如高温退火、电纺丝、微波辅助法和喷雾干燥等，被广泛应用于制备具有特定物理化学性质的碳材料。通过这些方法，可以实现对生物质碳的形貌控制、结构设计以及表面改性，从而优化其作为电极材料的性能。

影响电化学性能的关键因素

尽管生物质衍生碳具有成本低、原料丰富、加工简便等优点，但其在实际应用中仍面临一些挑战，如结构效率不足、化学不稳定性以及性能限制。为了获得优异的电化学性能，必须关注几个关键参数：孔隙结构的有效调控（避免无效孔道）、杂原子（如N、S、P等）掺杂以引入法拉第反应活性位点、无机杂质的管理以及批次间的重现性。这些因素的精细调控是提升材料比电容、倍率性能和循环稳定性的关键。

生物质衍生碳在超级电容器中的应用

生物质衍生碳，包括活性碳、杂原子掺杂碳和复合碳材料，是推动超级电容器发展的重要组分。其独特的结构可调性和环境友好性为解决能源存储领域的关键挑战提供了可能。作为EDLC电极，它们利用巨大的比表面积存储电荷；通过杂原子掺杂或与金属氧化物（如MnCo₂O₄, NiFe₂O₄）复合，可引入显著的赝电容行为，应用于PC或HSC，从而协同提升器件的能量密度和功率密度。

挑战与展望

尽管生物质衍生碳材料前景广阔，但其进一步发展仍需克服固有结构限制、表面化学问题、无机杂质以及批次重现性等挑战。未来的研究方向应集中于：开发更精准的孔结构定向调控技术、深化表面功能化修饰研究、利用信息技术（如机器学习）辅助材料设计，并加强材料科学、信息科学与器件工程之间的跨学科合作，以推动高性能生物质碳电极材料从概念验证走向规模化、定向化的实际应用。

总结

生物质衍生碳材料作为传统碳材料的可持续替代品，其价值日益凸显。该领域需超越概念研究范畴，探索适用于特定应用和规模化生产的解决方案。通过优化合成工艺、深入理解构效关系并推动跨学科融合，生物质衍生碳有望在下一代高性能、环境友好的能量存储器件中发挥核心作用。