生物质衍生多孔碳/锌基混合超级电容器的协同构建与性能调控

本研究针对传统超级电容器能量密度不足和电极材料不可持续的问题，以蕨类植物狼尾草为前驱体，通过低温KOH活化策略首次制备出超高比表面积（2639.5 m2 g-1）多孔碳，并构建锌离子混合电容器（ZHC）。该器件在1 A g-1下展现403 F g-1比电容和102 Wh kg-1能量密度，循环10000次后容量保持率达99.81%，为下一代储能系统提供了绿色解决方案。

　　

随着全球能源结构转型加速，开发兼具高功率密度与能量密度的储能器件成为研究热点。传统超级电容器虽具有快速充放电优势，但其能量密度往往难以满足实际需求；而锂基储能系统又面临资源稀缺和安全隐患。更棘手的是，现有高性能电极材料多依赖不可再生的石化原料或复杂制备工艺，这与可持续发展理念背道而驰。在此背景下，如何从自然界中挖掘新型碳源，通过绿色工艺构建高性能储能器件，成为学界亟待突破的瓶颈问题。

宁波大学（根据基金编号22078164推断）的研究团队独辟蹊径，将目光投向漫山遍野的蕨类植物——狼尾草。这种生物质不仅富含天然孔隙和杂原子，其纤维素-木质素复合结构更可为碳骨架提供理想模板。研究人员创新性地采用两步法（500°C低温碳化结合KOH活化）制备分级多孔碳，并系统优化活化剂比例与热解温度。令人振奋的是，所得材料比表面积高达2639.5 m² g^-1，远超多数报道的生物质碳材料。

关键技术包括：1) 超声清洗-低温干燥的原料预处理；2) 精确调控KOH/碳质量比（1:1至5:1）的化学活化；3) 三电极体系测试电极材料性能；4) 锌箔负极与多孔碳正极组装ZHC器件；5) 恒流充放电(GCD)和循环伏安(CV)等电化学表征。

材料表征结果显示，最优样品FAC-5-500具有丰富的微-介孔分级结构，XRD谱图呈现典型无定形碳特征，拉曼光谱ID/IG比为0.98，表明适度的石墨化程度有利于电荷传输。

电化学性能方面，该材料在0.1 A g^-1电流密度下展现422 F g^-1的超高比电容，且万次循环后容量保持率高达99.5%。这归因于KOH活化产生的丰富介孔（2-4 nm）可加速离子扩散，而微孔（<2 nm）则提供大量吸附位点。

器件层面，组装的ZHC展现出双电层/赝电容（EDLC/pseudocapacitance）协同储能机制：正极通过离子吸附/脱附储能，而锌负极发生可逆的Zn²⁺氧化还原反应。在5 A g^-1大电流下，器件仍能输出102 Wh kg^-1的能量密度和3409.5 W kg^-1的功率密度，这一性能优于95%已报道的生物质基器件。

该研究通过"天然模板+精准调控"的策略，首次证实狼尾草衍生碳在ZHC中的应用潜力。相比传统方法，该工艺降低30%能耗，且原料成本不足商业活性炭的1/20。更重要的是，器件99.81%的循环稳定性解决了混合电容器寿命短的痛点，为发展安全、高效、可持续的储能系统提供了新范式。相关成果发表于《Materials Today Communications》，为生物质高值化利用开辟了新路径。