基于硼砂-K2CO3控燃策略制备高比表面积氮掺杂生物炭及其在锌离子混合超级电容器中的应用

针对锌离子混合超级电容器(ZHS)电极材料开发难题，研究人员创新性地采用硼砂-K2CO3控燃系统，将腐朽木材转化为具有2196 m2·g-1超高比表面积的N掺杂多孔生物炭。该材料在0.5 A·g-1电流密度下展现175 F·g-1的优异电容性能，并在1.8V宽电压窗口实现79 Wh·kg-1的能量密度，为生物质资源高值化利用提供了可持续解决方案。

　　

在能源存储领域，如何平衡高能量密度与快速充放电性能始终是重大挑战。锌离子混合超级电容器(ZHS)因其结合了电池的高能量密度和超级电容器的功率特性而备受关注，但电极材料的开发仍是制约其性能的关键瓶颈。传统多孔碳材料面临比表面积不足、孔道结构易坍塌等问题，而生物质衍生碳材料虽具成本优势，却常因高温碳化过程中的结构塌陷导致性能劣化。

针对这一系列难题，缅因大学的研究团队在《Industrial Crops and Products》发表了一项突破性研究。他们巧妙利用自然界中广泛存在却常被忽视的腐朽木材作为前驱体，创新开发出硼砂(borax)-K₂CO₃控燃碳化系统，在开放空气环境中仅用15分钟便制备出具有分级多孔结构的氮掺杂生物炭。这项研究不仅实现了生物质废料的高值转化，更解决了传统碳化工艺能耗高、需惰性气体保护等技术痛点。

研究人员采用三步关键技术路线：首先通过24小时煮沸预处理腐朽木材以去除杂质并扩增孔隙；随后用乙二胺(EDA)溶液浸渍实现氮元素预掺杂；最终在硼砂-K₂CO₃熔盐保护下进行控燃碳化。其中硼砂的熔融层(743°C)有效保护了木材天然孔道，而K₂CO₃(891°C分解)产生的CO₂进一步活化形成多级孔隙。

【材料表征】
扫描电镜显示RW-15样品完美保留了木材的贯通通道结构，TEM观察到0.54nm超微孔与2nm介孔共存的分级孔隙。氮吸附测试证实其比表面积高达2196 m²·g^-1，远超同类生物质碳材料。XPS分析表明材料中含有2.95%的氮元素，包括吡啶氮(N-6)、吡咯氮(N-5)等活性位点，这些特征共同促进了电化学性能提升。

【电化学性能】
在三电极体系中，RW-15在0.2 A·g^-1下展现418 F·g^-1的比电容，电容贡献分析显示60%来自赝电容。组装的对称超级电容器在10 A·g^-1下循环10000次后容量无衰减，其优异的性能源于：1)分级孔隙加速离子扩散；2)氮掺杂提升导电性；3)氧官能团增强界面润湿性。

【锌离子混合电容器应用】
当应用于ZHS体系时，该材料在1.8V宽电压窗口下实现79 Wh·kg^-1的能量密度，较文献报道值提升约30%。原位XRD证实其储能机制包含Zn²⁺的可逆吸附/脱附与Zn/Zn²⁺氧化还原反应，97%的循环保持率证明了结构的稳定性。

这项研究的意义在于：一方面开创了"熔盐盾构"碳化新策略，通过硼砂-K₂CO₃的协同作用，在开放环境中实现生物炭的结构保护与活化；另一方面将腐朽木材这类低值生物质转化为高性能储能材料，每吨原料处理成本较传统方法降低约40%。该工作为设计下一代生物质衍生电极材料提供了新思路，其简易、快速的制备工艺更具备工业化放大潜力。正如通讯作者Yonghao Ni教授指出："这项技术可推广至其他木质废弃物处理，有望推动森林资源循环利用与电化学储能的协同发展。"