《Journal of Energy Storage》：Advances in activation techniques and electrode development of biomass-derived biochar for high-performance supercapacitors
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摘要随着全球能源需求的不断增加，对高效且可持续的能源存储解决方案的需求也在上升。超级电容器因其较高的功率密度、耐用性以及更环保的特性，已成为一种极具前景的能源存储装置。源自生物量的碳化合物，尤其是活化生物炭，作为超级电容器的可持续且廉价的电极材料，正受到广泛关注。本综述介绍了用于
摘要
随着全球能源需求的不断增加，对高效且可持续的能源存储解决方案的需求也在上升。超级电容器因其较高的功率密度、耐用性以及更环保的特性，已成为一种极具前景的能源存储装置。源自生物量的碳化合物，尤其是活化生物炭，作为超级电容器的可持续且廉价的电极材料，正受到广泛关注。本综述介绍了用于活化生物炭的各种方法，包括化学活化方法（如KOH、NaOH、H?PO?、HCl、HNO?、ZnCl?以及金属氧化物）和物理活化方法（如蒸汽、CO?、等离子体、超声波、微波）。这些活化技术能够提升生物炭的孔隙率、表面积以及电化学性能。本文还强调了生物炭活化方法的重要性，以及电极制造中所用成分对材料的机械稳定性和离子传输特性的影响。活化后的生物炭具有优异的导电性、可调控的表面功能，以及适合形成电化学双层的层状多孔结构。总体而言，本综述全面介绍了生物炭活化方法和电极制备技术，并阐述了它们在推动可持续能源存储技术发展方面的潜力。
引言
工业化与人口增长带来的全球能源需求不断上升，再加上环境问题，使得寻找环境可持续的能源解决方案变得愈发重要。随着化石燃料的日益枯竭，迫切需要开发能够从生物废弃物中提取燃料的新技术[1]。为了减少碳排放并让能源发展更加环保，我们必须利用太阳能和风能等可再生能源。然而，这些能源的不可预测性给能源供应带来了很大挑战。太阳能的产出受昼夜、天气和季节变化的影响，而风能则取决于风速，风速可能在短时间内发生较大变化，且往往无法与电力需求高峰期相匹配。这类波动使得稳定可靠的电力供应难以保障，因此人们开始寻求更好的能源存储方法、改进电网架构，并寻找其他能源来源以维持能源供应的稳定性。为了解决这些问题，电池和超级电容器被视作确保能源供应稳定可靠的必要设备[2]、[3]。超级电容器是一种电化学能源存储装置，其多孔电极（通常是碳材料）与电解质之间会形成离子电双层。与普通电池和电容器相比，超级电容器具有更长的循环寿命、更高的电容值，以及更快的充放电速度。生物质具有独特的结构和化学性质，使其在能量存储、氢气储存、气体分离、废水处理、空气净化以及催化反应等领域具有广泛应用价值。在电化学双层电容器中，生物质的性能主要取决于其微孔结构、层状多孔网络以及表面特性[4]。生物质是一种可持续且丰富的能源，但其快速分解过程会导致CO?排放。为减少这一现象，人们将生物质转化为气体和液体燃料，或是固体生物炭，进而用于制造超级电容器[5]。天然生物质无法直接用于超级电容器，必须经过碳化和活化处理，才能获得具有高孔隙率和高碳含量的活性炭[6]。超级电容器虽然能量密度较低，但功率密度较高，因此具备长期使用的耐用性，且对环境的负面影响较小[7]。在超级电容器的充放电过程中，离子的扩散速率受碳材料的孔隙结构和形态影响，而不同的活化方法可以进一步提升这些性能[8]。生物炭的孔隙率、表面积和吸附能力存在一定限制，这些因素决定了其应用范围。活化生物炭的主要目的就是在使用前提升其比表面积和孔隙率。经过活化处理后，生物炭内部的孔隙结构会得到进一步发展，从而显著增加其表面积和孔隙率。正因如此，活化后的生物炭可用于多种用途，比如环境吸附剂、土壤改良剂以及能源存储装置[9]。生物炭的活化方法主要分为两类：化学活化法和物理活化法。化学活化法可以通过改变生物炭的功能基团，帮助制备出具有特定性能的生物炭；而物理活化法则能改善生物炭的比表面积和孔隙率。由于人们对可持续技术的重视，源自生物量的活化生物炭已成为超级电容器电极的重要碳基材料。由于其层状多孔结构、优异的导电性以及可调控的表面特性，活化生物炭有望用于高性能能源存储装置。不过，要充分发挥其潜力，仍需不断改进活化方法、电极配方以及提升材料的结构稳定性。本综述系统地介绍了生物炭化学活化法和物理活化法的最新进展，以及用于电极制造的各类组分，还分析了它们对基于生物炭的电极电化学性能的影响。此外，本文还探讨了当前面临的挑战、发展趋势以及未来研究方向，旨在推动活化生物炭作为下一代超级电容器可持续电极材料的发展。
虽然人们普遍认为活化处理能够提升材料的整体表面积和孔隙率，但实际研究表明，孔隙的分布情况，尤其是微孔（<2纳米）与中孔（2–50纳米）之间的比例，对离子传输和存储机制有着重要影响。微孔由于具有较大的表面积，有助于形成电双层，因此主要负责存储电荷。不过，在有机电解质中，离子-溶剂复合物的体积较大，这会显著影响离子进入微孔的难易程度，进而降低离子扩散速度。而中孔则可作为离子缓冲库和传输通道，有助于加快离子扩散速度，提升电极的响应速度。这种差异在水溶液电解质和有机电解质之间尤为明显：在水中，H?、K?等较小的水合离子更容易进入微孔，即便在孔隙分布较窄的情况下也能实现高效的电荷存储[11]；而在有机电解质中，TEA?、BF??等较大的溶剂化离子则需要更大的孔隙结构，因此中孔以及层状多孔网络对于发挥电极的最佳性能至关重要。
进一步的研究表明，通过不同的活化方法，比如使用KOH进行化学活化或采用CO?/蒸汽进行物理活化，可以更好地控制孔隙的结构。例如，KOH活化通常会因为氧化蚀刻和插层效应而形成更多微孔；而物理活化则可通过可控的气化作用促进中孔的生长[12]。这些结构差异会直接影响离子的扩散能力，进而影响不同电解质体系下的整体电化学动力学性能。
内容节选
化学活化法
生物炭的化学活化是通过引入酸性活化剂（如HNO?、HCl、H?PO?）和碱性活化剂（如KOH、NaOH、FeCl?）等化学试剂，来改变生物炭的化学和物理性质，从而提升其孔隙率和表面积[13]、[14]、[15]、[16]。这种活化处理可以在热解之前或之后进行，两种方式会对生物炭的性能产生不同影响。化学活化法是目前最常用的改性技术，可用于调整生物炭的功能特性。
物理活化
生物炭的物理活化方法能够提升其比表面积、孔隙率以及吸附能力，进而优化其在吸附、催化和能源存储领域的性能。通常，生物炭会在高温下与氧化气体一同处理。根据原料类型、热解条件以及活化方法的不同，活化后的生物炭的物理化学性质也会有所差异。活化方法的选择主要取决于后续的应用需求。
电极制备
电化学能源存储装置——超级电容器，是通过多孔碳电极与电解质界面处形成离子电双层来存储能量的。这一特性使得超级电容器具有较高的电容值、快速的充放电速度，以及比传统电池和普通电容器更长的循环寿命。下面将详细介绍超级电容器的工作原理。
生物炭活化的技术经济分析
生物炭的经济可行性在很大程度上取决于所采用的活化工艺，这些工艺不仅会影响资本支出，还会影响运营成本。虽然人们常说生物炭价格低廉且使用寿命长，但这仅在其活化方式得当的情况下才成立。需要通过相关指标来评估一种材料的性能表现，包括其成本、扩展性以及实际使用效率。整体生产成本也是影响其经济性的重要因素。
生物炭活化方法面临的挑战与未来展望
由于活化方法能够显著提升生物炭的物理化学性能，但每种方法都存在一定的局限性，难以大规模应用以实现最佳效果。化学活化技术（如KOH、NaOH、H?PO?、ZnCl?）虽然能有效提升生物炭的表面积和孔隙率，但其缺点在于可能会使用有害且具有腐蚀性的化学物质，处理过程中会产生大量废物，而且成本相对较高。
结论
由生物质制成的活化生物炭展现出了极高的应用潜力，可作为耐用、廉价且性能优异的超级电容器电极材料。由于其具有更好的孔隙结构、更大的表面积以及更优的表面功能，因此具备更出色的电化学性能。要想进一步提升生物炭的性能，还需要对其开展活化处理。此外，添加导电添加剂并选用合适的粘结剂，也有助于提升电极的性能并延长其使用寿命。不过，目前仍有一些问题需要解决。
作者贡献说明
Velmurugan Palanisamy：文章撰写与编辑、初稿撰写、资料收集、方法设计、正式分析。 Ayyadurai Saravanakumar：文章撰写与编辑、初稿撰写、指导工作、正式分析、数据整理、概念构思。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
Velmurugan Palanisamy|Ayyadurai Saravanakumar
印度泰米尔纳德邦切纳尔帕图区卡坦库拉图尔，SRM科学技术学院化学系，邮编603 203
