KMnO4活化苹果废料衍生碳与三氟乙酸电解质的协同作用提升超级电容器能量密度

为解决生物质衍生碳材料比电容和能量密度低的问题，研究人员通过KMnO4活化苹果废料（AW）制备多孔碳，并创新性采用三氟乙酸（TFA）电解质。所得材料比表面积达1010 m2 g?1，在1 A g?1下比电容达360 F g?1，对称超级电容器能量密度提升至14.5 Wh kg?1，循环5000次后容量保持率93.5%，为可持续储能提供新策略。

　　

随着全球能源需求激增和环境问题加剧，开发可持续储能技术成为迫切需求。超级电容器（Supercapacitors）因其高功率密度和长循环寿命备受关注，但传统生物质衍生碳材料存在比电容低、能量密度不足等瓶颈。捷克托马斯巴塔大学的研究团队创新性地将苹果废料（AW）转化为高性能多孔碳，通过KMnO₄化学活化和650–800°C碳化，结合三氟乙酸（TFA）电解质优化，显著提升了超级电容器的能量存储性能，相关成果发表于《Biomass and Bioenergy》。

研究采用球磨预处理AW，KMnO₄活化后高温碳化制备活性炭（ACs），通过热重分析（TG）揭示活化机制，并系统比较KOH、H₂SO₄和TFA电解质的电化学性能。

KMnO₄活化机制
TG分析显示，KMnO₄在200–500°C分解产生MnO₂和活性氧，促进AW中有机组分裂解，形成微孔-介孔分级结构。X射线光电子能谱（XPS）证实活化过程引入羧基（-COOH）等含氧官能团，提升电极润湿性和赝电容贡献。

材料表征
最优样品（AW-800）比表面积达1010 m² g^?1，孔径集中分布于1–4 nm。拉曼光谱显示缺陷碳结构（I_D/I_G=1.03），有利于电荷传输。

电化学性能
在三电极体系中，TFA电解质因CF₃COO^?小离子尺寸和质子传导优势，将工作电位窗口扩展至?0.5–1 V（vs. Calomel），远超KOH（0–0.5 V）和H₂SO₄（0–0.8 V）。对称超级电容器在1.4 V电压下实现14.5 Wh kg^?1的能量密度，功率密度达345.3 W kg^?1。

结论与意义
该研究证实KMnO₄活化可同步优化AW衍生碳的孔隙结构和表面化学，而TFA电解质通过拓宽电位窗口和减少副反应，突破传统水系电解质的能量密度限制。这种“绿色活化剂+有机酸电解质”的组合策略，为生物质废料高值化利用和下一代储能器件开发提供了新范式。