基于苤蓝皮分级多孔活性炭制备高能量密度超级电容器

本研究针对化石燃料过度消耗引发的环境危机，以苤蓝皮（Brassica oleracea var. gongylodes）为生物质原料，通过水热预碳化与化学活化法（600-800°C）成功制备分级多孔活性炭（BAC）。其中BAC 800展现出1100.76 m2/g的高比表面积，在3 A g?1电流密度下实现394 F g?1的比电容，组装的对称超级电容器能量密度达60 Wh kg?1。该研究为生物废弃物资源化利用提供了绿色解决方案。

　　

随着工业发展对化石燃料的过度依赖，全球正面临严峻的环境污染与能源危机。与此同时，消费电子和电动汽车的普及对储能设备提出了更高要求——需要兼具高能量密度、长循环寿命和环境友好性。超级电容器（Supercapacitor）因其卓越的功率密度和循环稳定性成为研究热点，但其性能高度依赖电极材料的结构特性。如何通过绿色可持续的方式制备高性能电极材料，成为当前研究的重点挑战。

针对这一难题，SRM科学技术学院（印度泰米尔纳德邦）的研究团队创新性地选择了一种常见农业废弃物——苤蓝皮（Knol khol，学名Brassica oleracea var. gongylodes）作为原料，通过水热预碳化结合化学活化法，在不同温度（600°C、700°C、800°C）下制备了分级多孔活性炭（BAC）。研究发现，800°C处理的BAC 800材料展现出最优异的性能：比表面积达1100.76 m²/g，在三电极体系中实现394 F g^?1的高比电容（3 A g^?1），组装的对称超级电容器更达到60 Wh kg^?1的能量密度。这项发表于《Biomass and Bioenergy》的研究，为生物质废弃物高值化利用提供了新思路。

研究主要采用三项关键技术：水热预碳化处理生物质原料、KOH化学活化法调控孔隙结构、三电极体系评估电化学性能。通过X射线衍射（XRD）和氮气吸附-脱附测试揭示了材料的非晶态特性和分级孔隙分布，拉曼光谱证实了材料石墨化程度的温度依赖性。

结构特性分析
XRD图谱显示所有样品均在25°和45°出现典型非晶碳衍射峰，BAC 800的峰宽最大，表明其非晶化程度最高。BET测试证实随着活化温度升高，比表面积从BAC 600的798.34 m²/g增至BAC 800的1100.76 m²/g，且微孔-介孔分级结构显著改善。

电化学性能
在三电极体系中，BAC 800在3 A g^?1电流密度下展现394 F g^?1的比电容，远高于BAC 700（312 F g^?1）和BAC 600（285 F g^?1）。其优异的倍率性能（10 A g^?1时保持64%容量）归因于优化的孔隙结构促进离子传输。

器件应用
基于BAC 800组装的对称超级电容器在1 A g^?1下实现60 Wh kg^?1的能量密度和360 W kg^?1的功率密度，循环10000次后容量保持率达92%，显著优于商业活性炭材料。

这项研究通过系统的温度梯度实验证实，800°C活化温度能最大限度保留生物质固有的氧/氮官能团，同时形成理想的分级孔隙结构。Vetrivel Ramalingam等研究者指出，苤蓝皮中天然的钾、钠等金属元素在活化过程中起到自模板作用，显著降低了传统化学活化法的能耗与污染。该工作不仅为农业废弃物资源化提供了可规模化的技术路径，更为设计下一代高性能超级电容器电极材料确立了新的生物质筛选标准——富含纤维素且含有催化性金属元素的植物表皮可能是最具潜力的前驱体。随着全球对可持续能源需求的增长，这类"变废为宝"的研究将展现出更大的经济价值和生态意义。