利用JetCutter技术，在固定于钡钙藻酸盐珠子中的大肠杆菌中，通过酶级联反应实现ε-己内酯的高效生产（基于光谱分辨细胞成像技术） 作者：Marietta Hakarová, Marek Bu?ko, ?tefánia Hron?eková, Alicia Vikartovská, Du?an Chorvát, Anton Matea?ik, Pavla Hájovská, Peter Gemeiner

《Catalysts》：Spectrally Resolved Cell Imaging for Enhanced Production of ε-Caprolactone via an Enzyme Cascade Reaction in E. coli Immobilized Within Barium–Calcium Alginate Beads Using JetCutter Marietta Hakarová, Marek Bu?ko, ?tefánia Hron?eková, Alica Vikartovská, Du?an Chorvát, Anton Matea?ik, Pavla Hájovská and Peter Gemeiner

　　摘要 高性能和可持续碳电极的开发对于下一代超级电容器日益重要，然而在生物质衍生碳材料中控制异原子掺杂和分级孔结构演化仍然是一个关键挑战。木质素作为一种丰富的芳香族生物聚合物，为设计功能性碳材料提供了结构丰富的平台，但其刚性的交联结构限制了精确的孔结构调控和高效的氮元素掺入。在这项工作中，通过尿素辅助的氮掺杂和KOH活化策略，从经过酶处理的木质素中制备出了氮掺杂的分级多孔碳材料。尿素-KOH共活化促进了微孔和中孔的协同演化。这种制备方法得到的碳材料具有2569 m2/g的高比表面积、相互连接的微-中孔结构，以及吡啶基、吡咯基和石墨基氮物种的理想分布。分级孔结构与改善的离子传输动力学相关，表现为高b值（0.99）和在100 mV s?1下的98.5%电容贡献；氮官能团引入了氧化还原活性位点并提高了界面润湿性。因此，所选材料在0.5 A g?1电流下实现了221 F g?1的高比电容、84.4%的强倍率性能以及在50,000次循环后仍保持90.7%的电容保留率。本研究展示了一种潜在的机制指导、可扩展的方法，将酶促结构调控与化学活化相结合，为将木质素转化为适用于先进超级电容器应用的高价值碳电极提供了可持续途径。

1. 引言
随着对可持续能源存储系统需求的增长，对下一代电化学电容器的研究也在加速[1]。超级电容器因其优越的功率密度、快速的充放电能力和出色的循环稳定性而成为有前景的候选者，填补了传统电池和电容器在能源存储领域之间的关键空白[2,3]。然而，高性能超级电容器的开发在电极设计方面面临根本性挑战，特别是需要同时具备高比表面积、优化孔结构和定制表面功能性的材料，以促进双电层电容和赝电容效应[4]。
生物炭作为一种可持续的碳源，因其相对于传统化石燃料衍生碳材料的独特优势而受到广泛关注。作为一种可再生碳材料，生物炭具有丰富的原材料来源（如农作物秸秆、木材、藻类），并且具有分布广泛、成本低廉和环境友好等优点[5]。与依赖化石燃料的碳材料不同，生物炭的生产可以实现负碳排放循环。更重要的是，生物质前体的多样性及其固有的分级结构（如天然的多维孔通道）为定制碳材料性能提供了更大的灵活性[6]。
在各种生物质成分中，木质素是先进碳材料的理想前体[7]。其天然的三维芳香结构，由刚性苯环和交联网络组成，在热解过程中表现出较高的热稳定性，有效抑制了碳骨架的致密化，同时促进了分级孔通道的发展[8,9]。木质素分子骨架上的丰富酚羟基和甲氧基官能团作为有效的接枝位点，使得异原子掺杂更加精确，这对于提高超级电容器的性能至关重要[10,11]。
制备方法显著影响基于生物炭的电极最终性能。传统的化学活化方法（如使用KOH或H3PO4）虽然能有效提高比表面积，但往往带来环境问题[12,13]。最近，酶促处理作为一种绿色预处理方法出现，其中纤维素酶的选择性降解可以预先构建分级多孔结构[14,15,16]。这种受生物启发的策略不仅增加了后续处理过程中的比表面积和孔体积[17]，还通过保留的氧官能团提高了电极与电解质的相容性[18,19]。
超级电容器主要根据其能量存储机制分为双电层电容器（EDLCs）和赝电容器[20]。虽然EDLCs依赖于电极-电解质界面上的静电吸附，但赝电容器通过快速、可逆的法拉第反应实现更高的能量密度。将氮等异原子掺入碳基质已被证明特别有效，可以增强超级电容器的性能[21,22]。氮官能化（如吡啶基-N、吡咯基-N）引入了赝电容效应，同时改善了表面润湿性和电导率，显著提高了比电容和倍率性能[23,24,25]。
尽管取得了这些进展，但在开发氮掺杂的分级多孔碳材料方面仍存在关键挑战。需要进一步细化对EDLC和赝电容机制的电容贡献的定量理解。生物预处理与化学活化之间的耦合，特别是氮掺杂对孔结构演化和表面性能的影响，需要更深入的研究。此外，建立微观特性（孔结构、氮配置）与宏观性能指标之间的精确结构-性能关系仍然具有挑战性，但对合理材料设计至关重要。
为了解决上述问题，本研究提出了一种结合尿素-KOH共活化与木质素酶促预处理的策略，旨在制备氮掺杂的分级多孔碳材料。通过系统地调控酶促水解条件和活化参数，我们希望阐明氮掺杂对孔结构、表面官能团和电容行为的调控机制。重点将是对双电层电容和赝电容贡献的定性分析，以期为设计高性能超级电容器电极材料提供新的见解。

2. 结果与讨论
2.1 分级多孔碳的形态和结构特性
酶促水解木质素（EHL）前体的物理化学性质总结在表1和表2中。初步分析显示，原始EHL的含水量为6.00 wt%，挥发物含量为60.06 wt%，固定碳含量为31.05 wt%，灰分含量为2.89 wt%。灰分含量直接反映了无机杂质的水平，表明木质素材料中的矿物质成分相对较少。进一步的元素分析表明，EHL主要由碳（58.6 wt%）、氧（32.88 wt%）和氮（0.59 wt%）组成，未检测到硫。低硫和灰分含量证实了木质素前体的高有机纯度，使其适合合成高质量的多孔碳材料。
表1. EHL有机元素分析测试结果。
表2. EHL煤炭工业分析测试结果。
如图1a所示，所有HPCN样品都显示了I型和IV型等温线的组合，表明微孔和中孔的共存。氮掺杂的多孔碳表现出I/IV型复合等温线，在p/p0 = 0.8–1.0处有明显的吸附平台，表明其具有发达的微-中孔网络，从而协同增强了电解质的可及性和电荷存储机制[26]。表3显示，HPCN-2的比表面积（SBET）达到2569.45 m2/g，微孔面积（Smicro）达到2117.98 m2/g，这两项指标都是系列中的最高值，表明其具有高密度的微孔壁和丰富的活性位点。同时，根据图S1，HPCN-2的中孔体积（Vmeso）为0.2893 cm3/g，中孔体积分数（Wmeso）为23.98%，在中孔结构参数方面表现出色，显著优于HPCN-1和HPCN-3的中孔发育不足以及HPCN-4的较低中孔体积。值得注意的是，HPCN-2的中孔面积分数（Cmeso）达到17.52%，结合中等平均孔径（1.8734 nm），协同实现了微孔主导活性位点吸附、中孔促进离子扩散的分级孔结构。这种结构不仅确保了小分子的有效吸附，也可能为大分子的传输提供途径，尽管需要直接证据来定量确认这种效应。如图1b所示，通过1:2的木质素与尿素比例优化氮掺杂实现的狭窄孔径分布，间接反映了氮物种在创建均匀孔通道中的结构导向作用，从而促进了均匀的K+插入/提取动力学[27]。这种结构组合解释了观察到的电化学性能，部分归因于分级孔隙率和富含氮的表面功能，这些因素共同促进了双电层电容和赝电容效应。然而，每种贡献的定量解卷积仍需进一步研究[28]。
这些发现强调了化学计量氮掺杂和孔工程在推进碳基超级电容器方面的关键作用，确立了HPCN-2作为高性能储能系统基准电极材料的地位。

图1. (a) HPCN-1~HPCN-4的N2吸附-脱附等温线；(b) 孔径分布（PSD）曲线。
表3. 制备的HPCN样品的结构参数总结。
微观结构和元素分析表明，酶促木质素（图2a）具有密集的层状结构，孔隙率有限，这是天然木质素交联聚合物结构的特征。不同尿素比例的水热处理（图2b–e）导致HCN系列的结构差异；低尿素比例（如HCN-1）产生分散的颗粒沉积和未发育的微孔，而过量尿素（HCN-4）导致结构硬化和孔分布不均[29]。SEM图像（图2g）清楚地显示，经过KOH活化后，HPCN-2具有相互连接的大孔结构（>50 nm），为电解质渗透和与材料内部活性位点的接触提供了直接通道。结合N2吸附-脱附等温线和孔径分布分析（图1，表3），HPCN-2具有典型的分级微-中孔结构，具有巨大的微孔面积和高中孔体积。微孔（<2 nm）提供了丰富的活性位点用于电荷存储，而中孔（2–50 nm）构建了快速的离子传输通道。这种分级多孔结构（大孔–中孔–微孔）通过SEM和N2吸附-脱附表征得到了协同验证，赋予了HPCN-2优异的电解质可及性和离子扩散动力学[30,31]。这种配置实现了2569.45 m2/g的BET比表面积，其中中孔占据了主导地位，对快速电荷传输至关重要。氮掺杂（吡啶基/N、吡咯基-N）（通过EDS映射在图2j–l中确认）将功能位点共价整合到碳基质中，创造了协同的界面，增强了赝电容效应，同时保持了导电性。HPCN-2的分级孔隙率提高了电解质的润湿性和离子可及性。氮官能化微孔与连续中孔之间的协同作用通过双电层电容和赝电容机制实现了高效的电荷存储[32]。
图2. (a) EHL，(b) HCN-1，(c) HCN-2，(d) HCN-3，(e) HCN-4，(f) HPCN-1，(g) HPCN-2，(h) HPCN-3，(i) HPCN-4的SEM图像；(j–l) HPCN-2的C、N和O的EDX元素映射图像。(m) 材料制备过程中的结构转变示意图。
傅里叶变换红外光谱（FTIR）（图3a）阐明了碳化和活化过程中的结构演变。EHL在O-H伸缩（3430 cm?1区域）、C=O伸缩（1700 cm?1区域）、芳香C=C伸缩（1600–1450 cm?1）和C-O伸缩（1260 cm?1区域）显示出特征吸收带[33]，这与其密集的芳香框架和丰富的极性官能团相符。这些结构特征与SEM（图2a）观察到的光滑表面形态中的有限孔隙率一致。在水热碳化（HCN-2）过程中，O-H、C-O和羰基相关峰（约1700 cm?1）吸收带的减弱表明尿素介导的结构分解。这种转变涉及醚键断裂和脱甲基化，破坏了刚性的木质素骨架，增强了分子流动性，从而促进了有限的孔结构发展。KOH活化后，-OH和C-O峰进一步减弱，芳香C=C峰变得宽而分散，证实KOH蚀刻了碳骨架，引入了结构缺陷，并促进了氮掺杂活性位点的形成。缺陷位点上的残余弱极性基团提高了电极的润湿性，有利于电解质离子的渗透[34]。这一双重过程产生了分级孔隙率，优化了表面积和电荷传输动力学。
图3. (a) EHL、HCN-2和HPCN-2的傅里叶变换红外光谱；(b) HPCN-1~HPCN-4的拉曼光谱；(c) 氮掺杂多孔碳的合成策略。
对HPCN系列多孔碳的拉曼光谱（图3b）研究表明，不同的尿素与酶促木质素质量比（1:1至1:4）显著影响了碳框架的结构有序性。如拉曼光谱所示，D带（1330 cm?1，与无序结构或缺陷状态相关）与G带（1585 cm?1，对应于sp2杂化石墨碳平面）的强度比显示出系统趋势[35,36]。随着尿素掺杂比例从1:1增加到1:4，ID/IG值从0.98（HPCN-1）降至最低的0.96（HPCN-2），然后逐渐上升到1.02（HPCN-4）。值得注意的是，HPCN-2显示出最低的ID/IG值（0.96），表明其石墨化程度最高，结构缺陷最少，这与XPS分析（图4d）观察到的氮掺杂位点分布一致。在超级电容器电极应用中，HPCN-2的晶体结构提供了双重功能优势。首先，其高度石墨化的微观结构缩短了π-π共轭路径，显著提高了固有电导率，并通过在高电流条件下实现高效的电荷传输来优化倍率性能[37]。其次，降低的缺陷密度最小化了活性位点的无序聚集，从而稳定了离子吸附/脱附界面，并减轻了循环操作过程中的结构坍塌[38]。这种结构完整性，结合氮掺杂效应（通过XPS验证的功能团证实），创造了一个协同平台，在该平台上有序的碳框架承载了优化的活性位点。石墨化基质可以通过电子离域增强赝电容贡献，而氮物种可能调节表面润湿性和界面电荷转移动力学。图4。（a）HPCN-1、HPCN-2、HPCN-3和HPCN-4的XPS谱图；（b–d）HPCN-2的C 1s、O 1s和N 1s的高分辨率XPS谱图。为了直观补充所呈现的光谱和结构分析，图3c示意性地展示了水热处理过程中尿素的分解途径和氮的掺入过程。该图明确显示了尿素在酸性水热条件下分解成NH3和异氰酸，这些反应中间体随后攻击木质素骨架上的含氧功能团——特别是酚羟基（C–OH）和甲氧基。这一步骤启动了初步的氮掺杂和刚性木质素基质的结构松弛，与FTIR观察到的O-H和C-O带衰减一致。此外，该图还描绘了从初始致密木质素结构逐渐转变为富含氮的多孔碳框架的过程，突出了由吡啶-N、吡咯-N和石墨-N物种组成的异质氮掺杂网络的形成。这种可视化阐述加强了尿素衍生的氮前体与KOH活化协同作用促进分层孔隙性和优化氮功能性的机制，这一点通过拉曼和XPS结果得到了证实。如图4a所示，样品中氮特征峰的强度随着尿素负载量的增加（酶处理过的木质素与尿素的质量比从1:1增加到1:4）而先上升后下降。其中，HPCN-2的N 1s峰强度明显高于其他样品，表明其氮掺杂水平与作为氮源引入的尿素量直接相关。进一步对N 1s高分辨率谱图进行解卷积（图4d）显示，HPCN-2具有多种氮物种的配位构型，包括吡啶氮（N-6，398.6 eV）、吡咯氮（N-5，399.8 eV）、石墨氮（N-Q，400.9 eV）和氧化氮（N-X，402.2 eV），这些峰面积的平衡贡献形成了一个复杂的氮掺杂网络[39]。如表4定量总结的那样，HPCN样品的总氮含量（%）随着尿素负载量的增加从2.91（HPCN-1）增加到3.84（HPCN-2），在木质素与尿素比例为1:2时达到最大值，然后随着进一步添加尿素而减少到3.25（HPCN-3）和3.57（HPCN-4）。HPCN-2在系列中显示出最高的氮含量（3.84%），表明其尿素剂量对于氮掺杂是最优的。这一趋势与图4a中N 1s峰强度的视觉观察结果一致，尽管表4中的定量数据提供了更可靠的比较基础。与HPCN-1相比，由于尿素供应不足，HPCN-3和HPCN-4可能因尿素过量而经历氮物种聚集或碳结构破坏。相比之下，HPCN-2中这种独特的氮分布显示出在电荷存储机制方面的显著优势。具体来说，高含量的吡啶氮和吡咯氮通过表面氧化还原反应赋予了额外的赝电容。同时，氧化氮和石墨氮优化了界面润湿性和电解质离子吸附。这些效应共同建立了关键的协同增强作用。在超级电容器电极应用中，氮物种不仅可以通过表面氧化还原反应增强比电容，还可以调节表面电荷分布，从而提高电解质润湿性并降低离子传输阻力，从而在高倍率充放电条件下保持出色的循环稳定性和能量密度[40]。表4。XPS衍生的氮物种分布及其相应的电化学性能。图5c显示了在0.5 A g?1电流密度下制备的HPCN样品的恒电流充放电（GCD）曲线。值得注意的是，HPCN-1到HPCN-4的GCD曲线在放电时间上存在细微差异，这在放大插图中清晰可见。如图所示，HPCN-2（绿色曲线）的放电持续时间最长，而HPCN-1（黑色曲线）的放电时间最短。定量分析表明，在相同的电流密度下，HPCN-2的计算比电容为221 F g?1，显著高于HPCN-1（129 F g?1）和HPCN-3（188 F g?1），略高于HPCN-4（218 F g?1）。样品的GCD曲线显示出近乎对称的三角形形状，表明典型的电双层电容行为。在接近上电位限制（约0 V）处可以观察到轻微的不对称性，这与碳表面上含氮功能团的弱不可逆法拉第反应有关。对于最优样品HPCN-2，在0.5 A g?1电流密度下，库仑效率计算约为91.36%，反映了良好的电化学可逆性和电双层电容（EDLC）与赝电容的优异协同储能能力。从图5a的CV曲线可以看出，HPCN-2在5 mV/s的扫描速率下显示出最大的积分面积，具有高强度和高度对称的氧化还原峰，直观地反映了其高效的法拉第反应动力学过程，为其高比电容奠定了电化学基础[41,42]。通过测量和分析Cdl值，评估了电双层电容（Cdl）样品作为超级电容器电极材料的固有活性和倍率性能。如图5b所示，HPCN-2表现出最高的Cdl值（0.413 mF/cm2）。然而，需要注意的是，Cdl值不能转换为绝对电化学活性表面积（ECSA）。相反，Cdl值仅用作在相同测量条件下四个HPCN样品的可访问表面积的相对指标。当完整的非法拉第区域不可用时，这种比较方法在基于碳的超级电容器研究中被广泛接受。HPCN-2较高的相对Cdl值表明其具有更大的电解质可访问表面积，这有助于其比电容和倍率性能的提高。此外，电流响应与扫描速率之间的优异线性关系揭示了高度可逆的电双层电荷存储机制，直接表明在快速充放电过程中的出色倍率能力和高功率密度。因此，HPCN-2被确认为最有前途的电极候选者。图5。（a）5mV/s下HPCN-1、HPCN-2、HPCN-3和HPCN-4的CV曲线，（b）Cdl，（c）0.5 A/g下HPCN-1、HPCN-2、HPCN-3和HPCN-4的GCD曲线，（d）5–100mV/s下的HPCN-2电极，（e）0.5–20 A/g下的HPCN-2电极，（f）电流密度从0.5到20 A/g时四种电极的C值，（g）特定峰值电流下的log(i) vs. log(v)曲线，（h）不同电流密度下HPCN-2的电容贡献，以及（i）100 mV/s扫描速率下的电容贡献。在倍率能力方面，图5d,e显示了HPCN-2的出色适应性。当扫描速率从5 mV/s增加到100 mV/s时（图5d），其CV曲线始终保持清晰的氧化还原峰，峰值电流随扫描速率线性增加，表明材料在表面活性位点的快速电子传输能力。在不同电流密度下的GCD测试中（图5e），即使电流密度增加到20 A/g，充放电曲线仍然保持近似三角对称的形状，具有显著的充放电时间比例优势，反映了低内阻和快速的离子扩散特性。通过比较图5f中1–20 A/g电流密度范围内的比电容保持率，HPCN-2的C值从大约221 F/g降低到180 F/g。尽管这种降低不可忽视，但它明显小于其他样品（例如，HPCN-1在20 A/g时降至120 F/g以下）。这证明了HPCN-2在高功率密度场景下的稳定储能能力，且没有显著的容量衰减，这与材料的优异孔结构和导电网络构建密切相关。为了进一步阐明HPCN-2电极材料的出色储能性能，我们研究了其快速动力学（EDLC）和低动力学贡献（PC）之间的关系，以及由此确认的电双层电容和赝电容的共存。相应的电容贡献可以使用以下公式确定[43]。其中i和v分别表示电流密度和扫描速率。b的值表示方程（2）中的斜率。通过b的值可以评估电化学过程中扩散控制和表面控制的影响。b值接近0.5表明扩散过程主要影响电容贡献。相反，当b接近1时，表明电容贡献对应于表面控制的响应。如图5g所示，log(v)和log(i)之间存在线性关系。阳极峰电流的b值为0.99134。虽然接近1的b值通常被解释为表面控制的动力学，但重要的是要注意，快速的赝电容过程也可以表现出接近1的b值。因此，观察到的b ≈ 1并不一定排除法拉第贡献；相反，它表明整体电荷存储受到表面反应或快速电子传输的限制，而不是半无限扩散。在当前情况下，CV曲线中高b值与清晰氧化还原峰的共存表明电双层电容和表面限制的赝电容都对快速动力学有所贡献。此外，我们使用Dunn方法定量区分了由电容控制的贡献（k1v1/2）和由扩散控制的贡献（k2），如下方程所示[3]、[4]。图5i表明，在100 mV s?1的扫描速率下，HPCN-2的电容控制贡献占98.46%。这表明快速反应动力学主要决定了这种电极的电化学行为。随着扫描速率的增加，HPCN-2的电容控制贡献从93.47%逐渐增加到98.46%（图5h），而扩散控制的贡献从6.53%减少到1.54%。这一观察结果证实了HPCN-2的电化学性能主要是由电容控制的，并表现出理想的电容特性。HPCN-2的卓越电化学性能，如其高比电容（0.5 A/g时为221 F/g）和出色的倍率能力（20 A/g时保留率为84.4%），可以直接归因于其优化的表面化学，特别是氮掺杂配置。同时，其大量的石墨-N含量（24.1%）增强了碳框架的电导率，促进了快速的电荷传输，并支持了其出色的倍率性能。相比之下，HPCN-1、HPCN-3和HPCN-4较差的电容和倍率能力与其次优的氮含量和/或配置密切相关。这种经验相关性表明，高比表面积、分层孔结构和优化的氮配置的组合与木质素衍生的多孔碳电极所实现的高性能之间存在关联。上述实验结果表明，氮掺杂，特别是吡啶-N和吡咯-N物种的存在，显著增强了HPCN-2的比电容和倍率能力。为了更深入地了解这些氮配置如何影响与电解质离子在电子层面的相互作用，我们进行了密度泛函理论（DFT）模拟。尽管我们在电化学测量中使用的实际电解质是6 M KOH（其中K+是电荷载体），但我们选择Li+作为DFT计算的模型离子。这一选择是合理的，因为Li+和K+具有相似的单价电荷，并且都常用于基于碳的超级电容器的计算研究中，不同氮配置之间的吸附能量相对趋势预计是可比的。计算使用了第3.2节中详细说明的参数。如图6b所示，Li在原始石墨烯层上的吸附能量（ΔE）为0.43 eV（吸热），表明相互作用较弱。相比之下，吡啶-N和吡咯-N配置表现出更强的吸附，ΔE值分别为?2.74 eV和?2.53 eV（放热），而石墨-N的ΔE为0.52 eV，甚至比未掺杂系统还弱。这一趋势表明，与吡啶-N和吡咯-N相关的缺陷结构会形成局部电子富集区域，从而增强离子吸附能力，进而促进伪电容性电荷存储。对石墨-N的弱吸附表明，其主要作用是提高导电性，而不是直接参与离子结合。图6：(a) 基于缺陷石墨烯模型的理论计算模型；(b) 锂离子在缺陷石墨烯模型上的吸附能；(c) 氮掺杂在缺陷石墨烯模型上的吸附能。此外，态密度（DOS）分析（图6c）显示，氮掺杂在费米能级附近引入了新的电子态，改变了电荷分布，并增加了离子相互作用的可用态密度。这些计算结果为实验观察到的富含吡啶-N和吡咯-N的样品具有更高的伪电容性提供了合理的解释。然而，应该注意的是，这些DFT模拟基于的是真空中的简化石墨烯模型，它们没有明确考虑溶剂化环境或实际碳电极的层次孔结构。尽管如此，它们仍然提供了关于不同氮配置在原子尺度上作用的宝贵机制见解，补充了宏观电化学表征。

对HPCN-2在0.5 A/g电流密度下实现的比电容（221 F/g）的批判性评估，结合最近关于木质素衍生碳材料的文献（如表5所总结的），揭示了其在考虑关键实验变量时的独特优势。虽然Fe-NLC的电容较高，为264 F/g [44]，但其合成涉及过渡金属的引入，增加了复杂性和成本。相比之下，HPCN-2是通过一种可持续的、无金属的尿素-KOH共活化策略制备的。同样，与LPRAC-20%（217.3 F/g）[45]和LPC-150（214.03 F/g）[46]相比，后者也在6M KOH中测试了0.5 A/g的电流密度，HPCN-2表现出明显的性能优势。这一优势还体现在其出色的倍率性能上（在20 A/g电流密度下保留了84.4%的电容），这一指标在比较研究中往往未被强调。此外，与在更有利于其性能的较低电流密度下测试的材料（例如ACNFs在0.1 A/g [47]）不同，HPCN-2在更苛刻的条件下也得到了验证，凸显了其强大的电荷存储动力学。因此，HPCN-2不仅提供了具有竞争力的比电容，而且通过绿色合成路线实现这一点，同时在高倍率性能和长期稳定性方面表现优异，使其成为先进的超级电容器电极的独特而有前景的候选材料（图7）。

表5. 本文中电极材料的比电容与其他研究中报告的电极材料的比较。

图7：(a) HPCN-2在对称双电极系统中的CV曲线；(b) HPCN-2在对称双电极系统中的GCD曲线；(c) HPCN-2的倍率性能；(d) 基于HPCN-2的对称超级电容器的循环稳定性图。电化学表征显示，在对称双电极配置中具有出色的电荷存储能力和循环稳定性。在0.5至10 A/g的电流密度范围内，比电容仅从208.05 F/g略微下降到172.56 F/g，实现了82.94%的电容保持率，这突显了其在高功率应用中的出色倍率性能。这种性能源于KOH激活的孔结构与尿素衍生的氮掺杂位点之间的协同作用，共同增强了离子扩散动力学和表面电荷吸附[49,50]。此外，在5 A/g电流密度下的循环稳定性测试显示，经过50,000次循环后电容保持率为90.7%，显著优于大多数基于碳的电极材料。这种卓越的耐久性反映了HPCN-2的结构完整性，其中最小化的缺陷密度和坚固的碳框架减轻了长时间循环过程中的活性位点降解和孔洞塌陷[51]。近乎矩形的CV曲线和对称的三角形恒电流充放电（GCD）曲线进一步验证了电荷存储机制的可逆性，其特征是低内阻和最小化的界面电荷转移屏障[52]。通过将伪电容性氮功能的高能量密度与层次孔中快速离子传输所实现的优越功率密度相结合，HPCN-2成为下一代超级电容器的有希望的候选材料。其结构稳定性和可调电化学活性的双重优势使其成为需要长操作寿命和高倍率性能的先进储能系统的有前途的候选材料。

该材料在250 W/kg的功率密度下表现出28.89 W h/kg的高能量密度，以便与之前报道的多孔碳材料进行更好的比较。此外，当功率密度增加到5000 W/kg时，它仍然保持23.97 W h/kg的能量密度，提供了出色的能量存储性能。

3. 实验部分
3.1. 活性碳的制备
酶解木质素（EHL）来自中国大连的中石化石油化工研究院。所有使用的试剂，包括来自天津志远化学试剂有限公司（天津）的氢氧化钾（KOH，85%），天津大茂试剂厂购买的尿素（CO(NH2)2，99%）（天津），以及来自广东广世试剂科技有限公司（汕头）的盐酸（HCl，37%）和硫酸（H2SO4，98%），均为分析级，无需进一步纯化。首先，将10克EHL用去离子水彻底洗涤并过夜干燥。然后将酶解木质素样品与尿素按1:1、1:2、1:3和1:4的质量比精确混合，随后在120毫升去离子水中均匀分散。接着，在持续磁力搅拌下向混合物中加入1.84毫升浓硫酸（98 wt.%），以确保完全溶解和反应物均匀性。混合物搅拌30分钟，并超声处理15分钟以增强分散效果。然后将预处理后的溶液转移到一个250毫升的PTFE内衬不锈钢高压釜中，在200°C下进行24小时的水热处理。之后自然冷却至室温。所得的水热氮掺杂碳（HCN）产物经过过滤，用去离子水洗涤至中性，然后在70°C下过夜干燥。所得的水热碳分别标记为HCN-1至HCN-4，对应于逐渐增加的尿素与EHL的比例。

为了活化，首先通过将6.59克85%的KOH溶解在去离子水中制备1 M的KOH溶液，然后稀释至最终体积100毫升。然后将干燥后的HCN-1至HCN-4按1:3的质量比用KOH浸渍。这些碱的比例是根据化学活化过程中KOH与HCN的消耗量来确定的。KOH-HCN混合物在氩气气氛下（100 mL/min）的马弗炉中加热30分钟，然后以3°C/min的速率进一步加热至800°C并保持1小时以完成活化。冷却后，用10 vol%的HCl彻底冲洗样品以去除任何残留的无机杂质，然后用去离子水洗涤至中性，并在70°C下过夜干燥。所得的多孔活性炭分别标记为HCN-1至HCN-4（图8）。

3.2. 材料表征
使用Micromeritics ASAP 2460表面分析仪（Unterschlei?heim，德国）在77 K下通过氮吸附-脱附等温线确定了比表面积和孔特性。测量前，所有样品在真空下于200°C下脱气12小时。比表面积使用Brunauer–Emmett–Teller（BET）方法计算，孔径分布则通过Barrett–Joyner–Halenda（BJH）模型从吸附分支得出。样品的形态特征使用TESCAN MIRA LMS仪器（Brno，捷克共和国）进行扫描电子显微镜（SEM）观察，加速电压为10 kV，工作距离为8–10 mm。能量分散X射线光谱（EDS）映射在15 kV的加速电压下进行。傅里叶变换红外光谱（FTIR，Thermo Fisher Scientific Nicolet iN10，Waltham，MA，美国）用于识别官能团。光谱以透射模式在400–4000 cm?1的波数范围内记录，分辨率为4 cm?1，每个样品扫描32次。元素组成和键合状态通过X射线光电子光谱（XPS，Thermo Fischer ESCALAB 250Xi）使用单色Al Kα辐射（hν = 1486.6 eV）和30 eV的通量能量进行高分辨率扫描分析。所有结合能均校准到C 1s峰的284.8 eV。晶体学性质通过X射线衍射（XRD，Rigaku Ultima IV，Yokyo，日本）使用Cu Kα辐射（λ = 1.5406 ?）在40 kV和40 mA的条件下研究。数据在5°至90°的2θ范围内收集，步长为0.02°，扫描速率为2° min?1。拉曼光谱（LabRam HR Evolution，Horiba，京都，日本）在室温下使用532 nm的激发激光（波长）和0.5 mW的功率进行，以避免样品加热。光谱在800–2000 cm?1的范围内记录，光谱分辨率为1 cm?1。

模型构建：使用一个包含72个碳原子的单层石墨烯的6 × 6超胞作为原始碳模型。为了模拟氮掺杂配置，用一个氮原子替换一个碳原子以创建石墨-N、吡啶-N或吡咯-N缺陷。添加一个20 ?的真空层垂直于石墨烯平面以避免周期性相互作用。几何优化：所有原子位置完全放松，直到每个原子上的Hellmann–Feynman力小于0.02 eV/?，并且连续步骤之间的总能量变化收敛到1 × 10?5 eV以内。k点采样：使用Monkhorst–Pack k点网格2 × 2 × 1进行几何优化，对于DOS计算则使用更细的4 × 4 × 1网格。吸附能量计算：锂在碳表面的吸附能量（ΔE）计算为ΔE = E(total) ? E(substrate) ? E(Li)，其中E(total)是锂吸附系统的总能量，E(substrate)是原始或掺杂碳层的能量，E(Li)是bcc体相中孤立锂原子的能量（?3.80 eV）。负的ΔE表示放热吸附。这些计算参数确保了DFT结果的可重复性。第2.2节中报告的所有能量值均使用上述协议获得。

3.3. 电化学测量
工作电极是通过将活性材料、导电剂（乙炔黑）和粘合剂（聚四氟乙烯，PTFE）按8:1:1的质量比混合制备的。这种混合物在乙醇中均匀化形成均匀的浆料，然后涂覆在镍泡沫集流体（1 × 1 cm2）上。涂覆后的电极在真空下80°C下干燥12小时以去除溶剂，然后在10 MPa下压紧以确保良好的附着力和电接触。典型的活性材料负载量约为2.0 mg/cm2。为了确保可重复性，每个样品准备了三个独立的电极，所有电化学测量至少重复三次。报告的比电容值是三次测量的平均值，标准偏差通常低于5%。

电化学测试在CHI 760E工作站（Chenhua，上海，中国）上进行，使用传统的三电极配置和6 M KOH电解质。Hg/HgO电极作为参比电极，Pt板作为对电极，循环伏安法（CV）的电压窗口设置在–1.0至0 V之间，扫描速率多样。电化学阻抗谱（EIS）在开路电位下使用正弦交流信号进行，幅度为5 mV，频率范围从0.01 Hz到100 kHz（即10?2到105 Hz）。恒电流充放电（GCD）测量在不同的电流密度下进行，比电容是根据GCD曲线使用公式（5）得出的，其中I表示放电电流（A），Δt表示放电时间（s），m表示电极材料的质量（g），ΔV表示电压窗口（V），Cm表示比电容（F/g）。

基于GCD曲线的能量密度E（Wh/kg）和功率密度P（W/kg）由公式（6）和（7）给出[43]。

4. 结论
本研究通过两步过程成功制备了氮掺杂的多孔活性炭（HPCN-2）：首先通过尿素辅助的水热掺杂酶处理木质素，然后在高温下进行KOH化学活化。通过系统地改变尿素与木质素的质量比（1:1–1:4），HPCN-2的BET表面积优化为2569 m2 g?1，这协同增强了伪电容行为和界面电荷转移。层次孔结构（82.43%的微孔）使得离子扩散快速，在三电极系统中在0.5 A/g的电流密度下实现了221 F/g的比电容。值得注意的是，HPCN-2在电流密度为20 A/g时仍保持了84.4%的电容保持率（180 F/g），并且在电流密度为5 A/g、循环50,000次后仍保持90.7%的电容保持率。这一优异性能归功于其坚固的碳骨架以及极低的界面电阻。其卓越的性能源于在水热合成过程中引入的氮掺杂（吡啶基、吡咯基和石墨化氮物种），这些氮物种为材料提供了更多的氧化还原活性位点，并优化了表面化学性质。这项研究表明，经过酶处理并经过尿素-KOH共处理的木质素衍生碳材料，作为高性能超级电容器的电极材料具有巨大潜力。该策略为将木质素生物质转化为高价值储能材料提供了一条潜在的可持续且可扩展的途径，符合循环经济原则，并有助于解决生物质价值化过程中的关键挑战。未来需要通过系统地控制实验条件（例如不进行酶处理或不使用氮源），来全面解析各合成参数的贡献，并验证所提出的机制作用。相关补充材料可下载于：https://www.mdpi.com/article/10.3390/catal16040368/s1，其中包含图S1（HPCN-1至HPCN-4的颗粒大小分布图）和图S2（HPCN-1、HPCN-3和HPCN-4在不同扫描速率（5至100 mV/s）下的循环伏安曲线）。