基于水生空心菜生物质制备具有肋层结构的自掺杂多孔碳电极用于高性能对称超级电容器

研究人员利用富氮生物质水生空心菜（Ipomoea aquatica），通过两步碳化与KOH活化工艺成功制备了具有分级孔隙和自掺杂特性的多孔碳材料（IACC）。该材料凭借其天然肋层结构和协同效应，在0.5 A g?1电流密度下展现287.2 F g?1的高比电容，组装的对称超级电容器实现39.94 Wh kg?1的能量密度，为生物质衍生碳材料的可持续开发提供了新思路。

　　

这项研究展示了如何将常见的水生空心菜（Ipomoea aquatica）生物废料转化为高性能储能材料。通过巧妙的双重碳化与化学活化（KOH activation）工艺，研究人员成功保留了这种植物天然的肋状层状结构（rib-layered structure），同时构建出具有分级孔隙（hierarchical porosity）和氮自掺杂（self-doped nitrogen）特性的三维导电网络。

令人惊叹的是，最优化的IACC-5材料展现出287.2 F g^?1的卓越比电容（specific capacitance），这得益于其高达（具体数值未提及）的比表面积和独特的离子传输通道。更令人振奋的是，基于该材料组装的对称超级电容器（symmetric supercapacitor）在能量密度（39.94 Wh kg^?1）和功率密度（250 W kg^?1）方面实现完美平衡，经过10,000次充放电循环后仍保持88%以上的容量，这种稳定性在生物质衍生碳材料中堪称典范。

该研究不仅为农业废弃物高值化利用提供了范例，其揭示的"结构-性能"关系（structure-property relationship）更为设计下一代储能材料指明了方向——天然生物质的本征结构往往蕴含着人工合成难以复制的拓扑优势。