生物质衍生多孔碳的协同催化石墨化与定向孔道设计及其电化学性能优化

为解决生物质碳材料在超级电容器应用中石墨化程度低、孔结构单一的问题，研究人员以花生壳为原料，创新性采用K2FeO4/CaCO3双功能体系实现协同催化石墨化与定向介孔构建，获得比表面积达2712.85 m2 g?1、ID/IG比0.93的分级多孔碳PS@CaFe-15%，在1 A g?1下展现339.25 F g?1的高比电容，为绿色电极材料设计提供新范式。

　　

在全球能源转型背景下，化石燃料短缺与新能源开发需求矛盾日益突出。超级电容器(Supercapacitor)因其快速充放电、循环稳定性好等优势成为研究热点，但其能量密度提升始终受限于电极材料性能。传统碳材料如活性炭(Activated Carbon)存在孔结构不可控、石墨烯(Graphene)成本高昂等问题，而生物质衍生碳虽具环保优势，却面临石墨化程度低、孔道分布不均的挑战。如何通过绿色工艺同步实现材料石墨化与孔结构优化，成为突破性能瓶颈的关键。

针对这一科学问题，郑州某高校研究团队创新性地选择农业废弃物花生壳为原料，通过双功能催化剂K₂FeO₄与介孔模板剂CaCO₃的协同作用，在《Biomass and Bioenergy》发表研究成果。研究采用高温热解结合原位催化技术，通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和拉曼光谱(Raman)等表征手段，系统分析了材料的结构演变与电化学性能关联性。

【Material characterization results】
SEM显示PS@CaFe-15%具有发达的分级孔结构，归因于K₂FeO₄分解产生的KOH活化微孔（反应式6-10），而CaCO₃热解生成的CaO/CO₂定向构建介孔。TEM观察到铁纳米颗粒周围形成的石墨化区域，拉曼ID/IG比0.93证实高度有序的石墨晶格。

【Conclusions】
该研究实现了三大突破：1）K₂FeO₄同步完成活化与催化，在<1000°C低温下实现石墨化；2）CaCO₃模板定向调控介孔占比，形成2712.85 m² g^?1的高比表面积；3）所得材料在10 A g^?1下仍保持86.96%的电容保留率，显著优于传统活化法制备的材料。

这项研究的意义在于：1）开创了生物质碳"一步法"制备高性能电极材料的新工艺，避免强酸强碱污染；2）为农业废弃物高值化利用提供技术支撑；3）提出的双功能协同机制为新型储能材料设计提供理论指导。研究团队特别指出，该方法可扩展至其他木质纤维素类生物质的转化应用，未来可通过调控催化剂比例进一步优化材料导电性与离子传输效率的平衡。