氮硫共掺杂木质素基碳泡沫的可控制备及其超级电容器应用研究

【编辑推荐】针对木质素热转化过程中过度发泡导致的结构不均和性能下降问题，研究人员通过引入(NH4)2SO4调控其热行为，成功制备出具有分级多孔结构的N/S共掺杂碳泡沫（CF）。该材料兼具1.5 MPa抗压强度和9070.9 mF cm?3超高体积比电容，为高面容量储能系统提供了新型自支撑电极材料。

　　

木质素作为造纸工业的副产物，长期以来被视为低价值废弃物，但其高芳香结构含量和可再生特性使其成为制备功能碳材料的理想前体。然而，木质素在热转化过程中存在过度发泡的顽疾——当加热速率或温度过高时，某些有机溶剂木质素或低玻璃化转变温度（T_g）的木质素会产生剧烈膨胀，导致产物出现形状不规则、机械强度差、比表面积低等问题。这不仅限制了木质素基碳材料的实际应用，更阻碍了其在能源存储领域的高值化利用。

针对这一挑战，青岛农业大学联合团队在《Bioresource Technology》发表的研究提出创新解决方案：通过引入硫酸铵((NH₄)₂SO₄)调控木质素热分解路径，成功实现过度发泡木质素的可控转化。该研究不仅阐明了(NH₄)₂SO₄与木质素的相互作用机制，更开发出兼具优异机械性能和电化学性能的氮(N)、硫(S)共掺杂碳泡沫(CF)，为生物质资源的高效利用开辟新途径。

研究采用热重-质谱联用(TG-MS)、X射线光电子能谱(XPS)等技术分析材料特性，通过三电极体系和对称固态超级电容器测试电化学性能。以有机溶剂木质素为原料，与不同比例(NH₄)₂SO₄混合后梯度升温碳化，系统考察了原料配比、预热温度和升温速率对材料宏观成型与微观结构的影响。

Results and Discussion部分揭示：(1)木质素在320°C优先软化并包裹(NH₄)₂SO₄颗粒，后者分解释放的NH₃和SO₂形成均匀气孔，同时N/S原子嵌入碳骨架；(2)当木质素与(NH₄)₂SO₄质量比1:2时，所得L1A2-1000-1-CF具有0.1 g cm^?3低密度和1.5 MPa抗压强度；(3)1000°C碳化样品呈现分级多孔结构，比表面积达687 m² g^?1，吡啶氮和噻吩硫的共存显著提升电荷传输效率。

Conclusions部分强调：该策略通过(NH₄)₂SO₄的"原位自限制"作用，既抑制了木质素过度发泡又实现N/S共掺杂。组装的对称超级电容器在0-1.8 V电压窗口下展现9070.9 mF cm^?3的超高体积比电容，较传统粉末电极提升3倍以上。这项工作不仅解决了生物质转化工程中的关键技术难题，更为设计高性能储能材料提供了新思路——通过精确调控前驱体热化学行为，可同步优化碳材料的宏观结构与原子级化学环境。