金属纳米晶封装的分级多孔碳生物炭纳米管强金属-碳相互作用实现高性能超级电容器

研究人员针对生物质基多孔碳材料制备步骤复杂、电容性能低的问题，通过超声浸渍椰丝于金属前驱体溶液并氮气热解，开发了一种绿色、一步法制备金属纳米晶封装分级多孔碳纳米管（M/p-CNTs）的新策略。该材料具有288.6 m2/g的高比表面积、三模态孔隙结构和强金属-碳相互作用，在0.5 A/g电流密度下获得558.1 F/g的优异比电容，能量密度达27.9 Wh/kg。这项发表在《Ultrasonics Sonochemistry》的研究为生物质能源存储材料提供了简单可持续的合成方案。

　　

随着全球气候变化加剧和温室气体排放问题日益严峻，开发绿色能源存储技术成为当务之急。超级电容器（Supercapacitors, SCs）因其快速充放电、长循环寿命和高功率密度等优势备受关注，但传统碳电极材料存在能量密度低（仅约5 Wh/kg）、制备工艺复杂等瓶颈问题。生物质衍生多孔碳虽具有成本低、可持续等优点，但普遍面临比电容不足、需要复杂活化步骤等问题。如何通过简单绿色的方法提升生物质碳材料的电化学性能，成为能源存储领域的重要挑战。

针对这一科学问题，国内研究人员创新性地利用椰丝纤维作为碳源和还原剂，通过超声辅助金属前驱体浸渍结合低温热解（550°C），成功制备了系列金属纳米晶封装的分级多孔碳纳米管（M/p-CNTs，M=Cu、Co、W、Bi、Mo）。这项发表在《Ultrasonics Sonochemistry》的研究突破了传统多步活化工艺的限制，在4小时内即可完成材料制备，且无需使用危险化学品或额外活化步骤。

研究团队采用了几项关键技术：超声浸渍法利用空化效应促进金属前驱体在椰丝中的渗透；低温热解工艺（550°C）在氮气保护下实现碳化和金属还原；通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）等表征手段分析材料结构；采用三电极体系和两电极纽扣电池测试电化学性能。

材料表征结果显示：制备的Cu/p-CNTs呈现轴向排列的微管结构，长度达毫米级，直径5.5±3 μm，具有蜂窝状多孔结构。透射电镜证实5±2 nm的Cu纳米晶均匀分布在碳基质中，高分辨TEM显示清晰的Cu（111）、（200）和（220）晶面。比表面积达288.6 m²/g，具有介孔（2-50 nm）、大孔（>50 nm）和微孔（<2 nm）的三模态孔隙分布。

电化学性能测试表明：Cu/p-CNTs在0.5 A/g电流密度下比电容高达558.1 F/g，远超Co/p-CNTs（478.6 F/g）、Bi/p-CNTs（410.1 F/g）等对照材料。其优异性能源于强金属-碳相互作用和分子间电子转移，这通过拉曼光谱中D带位移（0.687-0.737 I_D/I_G比）和XPS结合能负移得到证实。两电极器件测试显示，Cu/p-CNTs//Cu/p-CNTs在0.5 A/g下保持168.9 F/g比电容和8.44 Wh/kg能量密度，功率密度可达3000 W/kg（10 A/g），且经过10,000次循环后容量保持率达95.9%。

这项研究的重要意义在于：开发了一种简单绿色的生物质碳材料制备新方法，通过金属纳米晶与碳基质的强相互作用显著提升了超级电容器性能。相比传统生物质碳材料（如椰壳衍生碳62.63 F/g、椰壳活性碳162 F/g等），Cu/p-CNTs的比电容提高3-9倍。研究揭示的金属电子缺陷调控机制为设计高性能储能材料提供了新思路，其简易可扩展的制备工艺更具备产业化应用潜力，对推动可持续能源存储技术发展具有重要价值。