利用冰晶模板辅助方法，从松木锯末中制备了同时掺杂了硅（S）、氮（N）和氧（O）的微孔碳材料，用于实现双重功能：电化学储能和二氧化碳（CO?）吸附

《Separation and Purification Technology》：Ice crystal template-assisted preparation of S/N/O co-doped microporous carbon from pine sawdust for dual-function materials: electrochemical energy storage and CO 2 adsorption

生物质衍生碳通过冰晶模板与S/N/O共掺杂协同制备，具有高比表面积（2405.59 m2/g）和微孔主导的孔隙结构。其在超级电容器中表现出优异循环稳定性（容量保持率99.75%，库伦效率99.73%）和CO?吸附能力（5.99 mmol/g）。

　　本文围绕一种基于生物质的碳材料展开研究，该材料被设计为具有双重功能的电化学储能与二氧化碳吸附材料。研究重点在于如何通过调控材料的孔结构，提升其在储能和吸附方面的性能。通过引入冰晶模板调控和S/N/O杂原子共掺杂策略，成功合成了一种具有高比表面积和高微孔率的多孔碳材料。这种材料不仅在电化学储能方面表现出优异的性能，还在二氧化碳吸附方面展现了良好的效果，为可持续发展提供了新的材料选择。

生物质作为可再生能源，具有丰富的资源和良好的环境友好性，因此在能源和环境应用中占据重要地位。通过生物质热解得到的碳材料，通常具有较大的比表面积、可调节的孔径结构、优良的导电性和较强的机械性能，使其在电化学储能和二氧化碳吸附等应用中具有显著优势。当前，超级电容器作为一种具有快速充放电能力和高功率密度的储能设备，正在成为理想的选择之一。而生物质衍生的碳材料因其成本低、性能稳定，被认为是超级电容器的优质电极材料。

与此同时，二氧化碳吸附被认为是降低碳排放、缓解全球变暖的重要手段。相比其他吸附技术，二氧化碳吸附具有成本低、操作简便和环境友好的特点。通过碳化和活化处理后的生物质碳材料，具有较高的比表面积、可调节的孔结构以及丰富的活性位点，使其在二氧化碳吸附方面表现突出。近年来，许多研究者尝试通过不同的方法来优化生物质碳材料的结构，从而提升其在储能和吸附方面的综合性能。

冰晶模板作为一种有效的结构调控手段，利用水作为载体介质，通过冰晶的形成过程实现对材料的结构控制。在冰晶模板形成过程中，冰晶会经历核化和生长，而前驱体物质则被排挤到相邻冰晶之间的间隙中。经过真空干燥后，冰晶升华，留下具有多孔结构的支架。这种多孔结构能够完美复制冰晶模板的形态，从而在材料中形成有序的孔隙。目前，冰晶模板已被广泛应用于能源转换和储能材料的制备，因其具有多功能性、可扩展性和良好的结构设计能力。

然而，目前大多数关于冰晶模板的研究主要集中在大分子化合物或生物质衍生材料上，而对纯生物质材料的处理研究相对较少。本文选择针叶树锯末作为研究对象，这是一种在木材加工过程中产生的废弃物，具有紧密排列的细胞壁结构，属于典型的木质纤维素生物质。纤维素分子中含有大量亲水基团，使得针叶树锯末能够吸附或结合大量水分。在冰晶模板处理过程中，水分占据了材料中的部分空间，经过升华后形成具有高比表面积和良好孔隙连接性的多孔结构。

杂原子掺杂是一种有效的手段，能够改善生物质碳材料的结构和表面性能。通过引入氮、硫等元素，可以显著提升材料的导电性、比表面积和孔隙率。同时，杂原子的引入还能增强材料的化学活性，使其在电化学储能和二氧化碳吸附方面表现出更好的性能。例如，有研究显示，通过氮和硫的共掺杂，可以有效降低钾离子的吸附能垒，从而提升电化学吸附反应的效率。此外，氮和硫的协同作用还能增强材料的表面活性，使其在吸附二氧化碳时具有更高的选择性和容量。

本文通过结合冰晶模板调控和S/N/O杂原子共掺杂策略，成功制备出一种具有高比表面积和高微孔率的针叶树锯末衍生多孔碳材料。这种材料不仅在电化学储能方面表现出优异的性能，还在二氧化碳吸附方面展现出良好的效果。实验过程中，采用了硫脲作为S/N杂原子的掺杂剂，同时使用草酸钾单水合物作为绿色活化剂，以平衡材料性能优化与环境可持续性。通过调控冰晶模板的体积和碳化温度，实现了对材料孔隙结构和功能基缺陷位点的精准控制。

实验结果表明，所制备的多孔碳材料具有高达2405.59 m2/g的比表面积，且其总孔体积几乎完全由微孔贡献。在三电极系统中，该材料表现出367.1 F/g的比电容，同时其在10,000次循环后仍能保持99.75%的容量保持率和99.73%的库仑效率。这表明该材料在电化学储能方面具有出色的稳定性和循环性能。此外，在1 bar和273.15 K条件下进行的二氧化碳吸附测试显示，该材料的最大吸附容量为5.99 mmol/g，并且在多次循环后仍能保持良好的吸附性能。

综上所述，本文通过创新性的材料设计和制备策略，成功开发出一种具有高比表面积、高微孔率和丰富杂原子活性位点的针叶树锯末衍生多孔碳材料。这种材料在电化学储能和二氧化碳吸附方面表现出优异的综合性能，为生物质资源的高附加值利用提供了新的思路。同时，该研究也为未来开发高性能、环保型的储能材料和吸附材料奠定了基础，具有重要的理论和应用价值。