通过NaOH活化优化孔结构的基于大麻的层次多孔碳，用于超级电容器应用

《ACS Omega》：Hemp-Derived Hierarchical Porous Carbon with an Optimized Pore Structure by NaOH Activation for Supercapacitor Applications

大麻秸秆残渣经热解和NaOH活化制备高性能活性炭，1:4活化比例时比表面积达3033 m2/g，在1 M H?SO?电解质中比电容725 F/g，硬币式电池有机电解质中能量密度34 Wh/kg、功率密度395 W/kg，循环稳定性78%，优化中孔/微孔体积比至1.58。

　　这项研究探讨了将大麻芯（hemp hurd）这一大麻茎处理后的副产品转化为高性能活性炭用于超级电容器的应用。大麻芯占大麻茎总量的70%至80%，尽管具有良好的吸水性和轻质特性，但目前尚未得到充分的利用。因此，探索其作为超级电容器电极材料的潜力，不仅有助于资源的高效利用，也为可持续能源存储技术提供了新的思路。通过实验发现，采用不同的NaOH与生物炭的重量比（1:1、1:2、1:3、1:4）进行化学活化后，Hurd-4（1:4比例）获得了最高的比表面积（3033 m2/g），同时保持了足够的微孔体积，从而有效提升了超级电容器的比电容。

超级电容器作为一种高效的能量存储装置，因其快速充放电能力、长寿命以及良好的环境适应性，被认为是可再生能源领域的重要技术之一。然而，传统的超级电容器在能量密度方面存在不足，因此对电极材料的优化成为提升性能的关键。活性炭因其高比表面积、高孔体积、可调孔径、电化学稳定性以及较低的成本，成为超级电容器电极材料的重要选择。尤其是在可再生资源中，如竹子、椰子壳、木屑等，活性炭的合成已成为研究热点。大麻芯作为一种可再生资源，其高木质素含量使其成为制备活性炭的理想原料。

在本研究中，大麻芯经过热解碳化和NaOH化学活化处理，形成了具有优异电化学性能的活性炭材料。通过调整NaOH的用量，研究者发现随着NaOH比例的增加，活性炭的比表面积和孔体积显著提升。特别是Hurd-4样品，在NaOH与生物炭的比例为1:4时，其比表面积和孔体积达到最大值，且微孔与介孔体积的比例（Vmeso/Vmicro）达到1.58。这一比例的优化使得活性炭的比电容显著提高，达到725 F/g（在0.3 A/g的电流密度下，使用1 M H?SO?作为电解液）。这表明，通过调控活化条件，可以实现对活性炭微观结构的精准控制，从而提升其在超级电容器中的性能表现。

在超级电容器的组装过程中，Hurd-4样品在有机电解液（TEABF?）中表现出优异的电化学性能。其比电容达到39 F/g，能量密度为34 Wh/kg，功率密度为395 W/kg，这些数值均超过了商用活性炭。此外，经过10,000次循环测试后，Hurd-4样品的比电容保留率达到78%，显示出良好的循环稳定性。这一结果表明，Hurd-4在电化学性能和结构稳定性方面均优于商用活性炭，为高性能超级电容器的开发提供了新的材料选择。

从材料结构的角度来看，Hurd-4的比表面积、孔体积以及介孔与微孔体积的比例是其表现出卓越性能的关键因素。这些结构特征不仅促进了电解质的渗透和离子的存储，还提升了电荷转移效率。实验中通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察了Hurd-4的表面形貌和内部结构，结果显示其具有丰富的介孔结构和较为均匀的微孔分布。这些孔结构的形成得益于NaOH的化学活化作用，而其表面功能团的种类和含量则通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）进行了分析。XPS结果显示，Hurd-4的表面功能团含量相对较低，这有助于降低材料的电阻，提高电导率。

在电化学性能方面，研究通过循环伏安法（CV）、恒流充放电法（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）对Hurd-4及其对照样品进行了详细分析。CV曲线显示，Hurd-4在0.0–2.5 V的电压范围内表现出接近矩形的形状，说明其具有良好的双电层电容特性。GCD曲线则进一步验证了Hurd-4在不同电流密度下的稳定充放电行为，尤其是在较高的电流密度下，其比电容仍然保持较高的水平，表现出优异的率性能。EIS分析显示，Hurd-4的系列电阻（RS）和电荷转移电阻（RCT）相对较低，说明其具有良好的导电性和离子传输性能。此外，Hurd-4的极化曲线（Tafel曲线）也显示出较低的斜率，这表明其表面的氧化还原反应更为高效，有助于提升超级电容器的伪电容性能。

在实际应用中，超级电容器需要具备良好的能量密度和功率密度，以满足不同应用场景的需求。通过实验，研究者发现Hurd-4在有机电解液中的能量密度和功率密度均优于商用活性炭，甚至超过了其他文献报道的生物质活性炭。这一发现不仅为超级电容器的材料开发提供了新的方向，也表明大麻芯作为可再生资源在电化学储能领域具有巨大的潜力。此外，Hurd-4在循环稳定性方面也表现出色，这使得其在实际应用中具有更高的可靠性。

从环境和经济角度来看，NaOH作为活化剂相较于KOH具有更低的生产成本和更小的环境影响。这一优势使得NaOH活化成为一种更具可持续性的选择。此外，大麻芯的来源广泛，且其生长周期短、适应性强，为大规模生产提供了便利。通过合理的工艺优化，可以进一步提升活性炭的性能，同时减少对环境的负担。

综上所述，本研究成功地将大麻芯转化为高性能活性炭，并通过调控NaOH活化比例，实现了对活性炭微观结构的优化。Hurd-4样品在比表面积、孔体积和介孔与微孔体积比例等方面表现出色，从而显著提升了超级电容器的比电容、能量密度和功率密度。这些成果不仅为超级电容器的材料选择提供了新的可能性，也为实现绿色能源存储技术提供了有力支持。未来，随着对活性炭结构调控技术的进一步发展，大麻芯有望成为一种具有广泛应用前景的可再生电极材料。