KCl与Na2S2O3协同活化构建木材衍生多级孔厚碳电极及其超电容性能提升

为解决超电容器（SCs）厚电极材料孔隙结构单一、离子传输效率低的问题，研究人员通过KCl/Na2S2O3绿色化学活化法，将椴木基材转化为1200 μm厚、比表面积达766 m2 g?1的多级孔碳电极（HPEs）。该电极在1 mA cm?2下实现3246 mF cm?2的面电容，对称器件能量密度达0.27 mW h cm?2，为生物质储能材料设计提供新范式。

　　

在能源存储技术快速发展的今天，超级电容器（Supercapacitors, SCs）因其高功率密度和快速充放电特性备受关注，但低能量密度始终是制约其应用的瓶颈。传统碳电极采用浆料涂布工艺，存在导电添加剂稀释活性物质、厚电极易开裂、离子扩散路径曲折等问题。而自然界中木材独特的低曲折度（low-tortuosity）管状结构，似乎为这一难题提供了天然解决方案——但未经处理的木材碳材料孔隙过大且刚性结构难以调控，导致电化学活性位点不足。

针对这一挑战，来自广西林业科技推广示范项目团队的研究人员创新性地采用KCl/Na₂S₂O₃混合盐体系对椴木切片进行活化处理，成功制备出兼具自然通道保留与人工孔隙调控的1200微米级自立式厚电极（HPEs）。这项发表于《Journal of Energy Storage》的研究显示，该材料在保持木材原生管状结构的同时，通过化学活化构建了微-介-大孔协同的多级孔系统，比表面积提升至766 m² g^?1，其性能指标远超同类生物质碳材料。

关键技术方法包括：1）轴向切割椴木切片保留天然导管排列；2）KCl/Na₂S₂O₃溶液梯度渗透活化；3）程序控温碳化构建多级孔；4）三电极体系测试电化学性能。

【材料表征】
扫描电镜显示活化后的碳骨架完整保留木材的平行管状阵列，X射线衍射证实盐处理诱导产生更多石墨微晶缺陷。氮吸附测试揭示材料具有0.5-2 nm微孔和2-50 nm介孔的双峰分布，这种分级孔隙体系为电解质离子提供了快速传输通道。

【电化学性能】
在三电极体系中，1 mA cm^?2电流密度下面电容达3246 mF cm^?2，20 mA cm^?2高倍率下仍保持75%容量（2444 mF cm^?2）。对称器件在6 M KOH电解液中能量密度达0.27 mW h cm^?2，10000次循环后容量保持率82%，显著优于物理活化（CO₂/NH₃）和自活化木材碳材料。

【结论与意义】
该研究通过环境友好型盐活化策略，首次实现木材碳材料天然宏观结构与人工纳米孔隙的协同调控。KCl/Na₂S₂O₃的协同作用机制在于：K⁺嵌入碳层扩大层间距，S₂O₃^2?分解产生的SO₂气体造孔，二者共同构建三维导电网络。这种"结构继承-功能强化"的设计理念，为开发低成本、可持续的生物质储能材料开辟新途径，特别适用于需要高面容量的大体积储能器件。

研究团队特别指出，该方法对阔叶材（如椴木）具有普适性，其天然导管分布均匀性优于针叶材。未来通过优化盐比例和热解程序，有望进一步提升微孔率与导电性，推动木材衍生电极在柔性电子器件中的应用。