酸碱协同促进小麦秸秆衍生碳材料中N、B、O原子共掺杂用于高性能对称超级电容器

为解决生物质碳材料异质原子含量低、导电性差等问题，研究人员通过尿素(碱性)和H3BO3(酸性)协同活化小麦秸秆，制备出N/B/O共掺杂碳材料(WSNB)。该材料异质原子含量显著提升，并生成石墨烯结构，在1 A g-1下比电容达161F g-1，组装的对称超级电容器(SSC)能量密度达9.5 Wh kg-1且循环10000次容量无衰减，为生物质高值化利用提供了新策略。

　　

随着可再生能源需求激增，高性能储能器件开发成为研究热点。超级电容器(Supercapacitor)因功率密度高、成本低等优势备受关注，但其能量密度提升始终面临挑战。生物质衍生碳材料虽具有资源丰富、结构可调等特点，但存在异质原子含量低、导电性差等瓶颈。传统高温碳化法易导致异质原子挥发，而石墨烯制备通常需要2000°C以上高温，极大限制了应用潜力。

针对上述问题，国内某研究团队创新性地利用尿素(碱性)和H₃BO₃(酸性)的酸碱中和反应，通过协同活化小麦秸秆制备出N/B/O共掺杂碳材料(WSNB)。研究发现该材料异质原子含量较单一活化剂处理的样品显著提高，并首次在750°C低温下实现石墨烯的原位生成。相关成果发表在《Fuel》期刊，为生物质碳材料的性能优化提供了全新思路。

研究采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段，结合三电极体系和两电极对称超级电容器(SSC)测试，系统评估材料结构特性与电化学性能。通过氮气吸附-脱附、扫描电子显微镜(SEM)和高分辨透射电镜(HRTEM)揭示了材料的多级孔道结构和石墨烯生成机制。

3.1 结构与形貌
XRD显示WSNB具有典型无定形碳特征，但HRTEM发现其存在0.33 nm晶面间距的有序区域，证实石墨烯生成。XPS证实WSNB的N(3.92 at%)、B(2.31 at%)含量显著高于单一掺杂样品，归因于酸碱中和反应固定了异质原子。拉曼ID/IG值(1.03)表明其石墨化程度降低，暴露出更多活性位点。

3.2 电化学表征
在三电极体系中，WSNB在1 A g^-1下比电容达161F g^-1，5 A g^-1时容量保持率88.2%。组装的SSC在350 W kg^-1功率密度下能量密度达9.5 Wh kg^-1，远超同类生物质碳材料（如大蒜皮衍生碳8.07 Wh kg^-1）。10,000次循环后容量无衰减，且能点亮LED灯，展现优异实用性。

该研究突破性地通过酸碱协同策略解决了异质原子掺杂效率低的难题，首次实现生物质碳材料中石墨烯的低温原位合成。不仅为设计高性能储能材料提供了新范式，更开辟了生物质高值化利用的新路径。研究揭示的"异质原子含量主导电化学性能"规律，对后续碳材料结构设计具有重要指导意义。