《Next Energy》：Biowaste-derived honeycomb-like hierarchical porous activated carbon from justicia adhatoda stem for high-capacity flexible supercapacitors
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从生物废弃物中合成的活性炭，因其自然资源丰富、清洁且可持续的特性，被视为开发高效电化学储能电极的可靠选择，是化石燃料的可行替代品。本研究报道了通过碳化工艺，随后进行KOH活化，从鸭嘴花茎（Justicia Adhatoda，JUAD）中合成三维蜂窝状多孔活性炭
从生物废弃物中合成的活性炭，因其自然资源丰富、清洁且可持续的特性，被视为开发高效电化学储能电极的可靠选择，是化石燃料的可行替代品。本研究报道了通过碳化工艺，随后进行KOH活化，从鸭嘴花茎（Justicia Adhatoda，JUAD）中合成三维蜂窝状多孔活性炭（AC）。得益于700 °C的最佳活化温度，JUAD衍生的活性炭展现出发育良好的三维蜂窝状多孔结构，材料的电化学响应显著增强。JUAD-700衍生活性炭在电流密度为0.5 A g?1时表现出430.97 F g?1的比电容，并在超过9000次恒电流充放电（GCD）循环后仍保持99%的电容。此外，采用JUAD-700电极组装对称柔性器件（SJC-700），在0.5 A g?1电流密度下可实现184 F g?1的比电容，同时具有83.14 Wh kg?1的优异能量密度和16.2 kW kg?1的功率密度。值得注意的是，SJC-700在8000次充放电循环后仍保持81.5%的电容，库仑效率为97.7%，凸显了其优异的循环稳定性。总体结果表明，JUAD-700衍生活性炭是超级电容器（SCs）应用中一种有前景且经济的材料，是优良的生物源碳废弃物来源。
**论文解读：基于鸭嘴花茎生物废弃物衍生的蜂窝状分级多孔活性炭及其柔性超级电容器应用**
**1. 研究背景**
随着化石燃料的日益枯竭和全球变暖问题的加剧，开发利用风能、水能和太阳能等可再生能源已成为迫切需求。然而，这些可再生能源固有的间歇性缺陷，使其无法提供持续稳定的电力输出。因此，电化学储能装置（EESD）对于维持稳定可靠的电源至关重要。目前，虽然锂离子电池在能源市场占据主导地位，但在高电流密度下存在发热增加、降解加快、枝晶形成以及电极材料传质受限等问题。超级电容器（SCs）凭借其卓越的功率输出、快速的充放电速率和长循环寿命，在高效电化学储能装置设计中扮演着关键角色，但仍面临能量密度相对较低的挑战。SCs主要分为赝电容器和双电层电容器（EDLCs）。赝电容材料虽具有高电容，但稳定性差且倍率性能有限。相比之下，碳质材料因其良好的倍率性能、长循环稳定性和高功率密度而备受青睐。因此，开发高性能EDLCs的关键在于设计生态友好、低成本且具有定制孔隙结构的电极材料。尽管多种生物质废弃物已被研究用于碳材料制备，但其不良的孔隙结构限制了在高能量需求器件中的应用。鸭嘴花（Justicia adhatoda，JUAD）作为一种药用植物，其茎部大多未被充分利用，这为开发电极材料提供了契机。
**2. 研究内容与意义**
本研究旨在利用废弃的鸭嘴花茎作为碳前驱体，通过碳化和KOH活化工艺合成具有三维蜂窝状结构的分级多孔活性炭（AC），并系统研究活化温度对材料结构、孔隙特性和电化学性能的影响。研究结果表明，在最佳活化温度700 °C下制备的JUAD-700活性炭具有最高的比表面积（1028 m2 g?1）和发达的微孔-介孔-大孔分级结构，表现出优异的电化学性能。该研究不仅为生物废弃物高值化利用提供了新途径，也为高性能、低成本超级电容器电极材料的开发提供了新思路，具有重要意义。相关成果发表在《Next Energy》期刊。
**3. 主要研究方法**
研究人员采用以下关键技术方法开展研究：(1) 以鸭嘴花（JUAD）新鲜茎部为原料，经清洗、干燥、粉碎后在氮气气氛下于400 °C预碳化得到预碳化碳（PCC）；(2) 将PCC与1 M KOH溶液混合活化，分别在600、700和800 °C下碳化，制备出JUAD-600、JUAD-700和JUAD-800三种活性炭样品；(3) 采用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、N?吸附-脱附测试（BET/BJH）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）对材料的结构、形貌和元素组成进行表征；(4) 通过循环伏安法（CV）、恒电流充放电（GCD）和电化学阻抗谱（EIS）在三电极体系和两电极对称器件中评估电化学性能；(5) 使用聚乙烯醇（PVA）-H?SO?凝胶电解质和碳布（CC）集流体组装柔性对称超级电容器（SJC-700）。
**4. 研究结果与讨论**
**4.1 XRD分析**
XRD图谱显示，JUAD衍生活性炭在约23°和43°处出现两个宽衍射峰，分别对应石墨碳的（002）和（100）晶面，表明材料具有无定形碳结构。随着活化温度升高至800 °C，43°处峰强度明显减弱甚至消失，说明700 °C有利于增强石墨化程度，而过高的活化温度会破坏石墨结构。
**4.2 Raman光谱分析**
拉曼光谱在1329.55 cm?1和1576.68 cm?1处出现特征D带和G带。JUAD-700的ID/IG比为0.95，低于JUAD-600（1.16）和JUAD-800（1.17），表明JUAD-700具有更高的石墨化有序度，这有利于提高材料的导电性。
**4.3 BET分析**
N?吸附-脱附等温线显示JUAD-700呈现IV型等温线特征，在低相对压力区（P/P?<0.1）吸附量急剧上升，表明存在大量微孔；中压区出现明显滞后环，证实介孔的存在；高压区（P/P?>0.9）吸附量再次上升，表明有大孔填充。JUAD-700的平均孔径为1.53 nm，比表面积高达1028 m2/g，总孔容为0.592 cm3/g。这种微孔-介孔-大孔分级多孔结构有利于离子吸附和快速传输。
**4.4 SEM分析**
扫描电镜观察发现，JUAD-600呈现部分发育的多孔框架，孔道不规则且连通性差；JUAD-700展现出高度均匀、互联的三维蜂窝状多孔结构，孔壁光滑，具有开放通道和薄碳骨架；而JUAD-800则出现孔结构部分坍塌和合并，孔壁增厚，结构完整性受损。这表明700 °C是形成优化分级孔结构的最佳温度。
**4.5 TEM分析**
高分辨透射电镜（HRTEM）进一步证实JUAD-700具有明显的分级多孔结构，可见清晰的微孔和局部石墨化晶格条纹，表明材料兼具丰富的孔隙和良好的导电性，有利于电荷储存和电解质渗透。
**4.6 XPS分析**
XPS分析表明JUAD-700主要由C（88.73 at%）和O（11.27 at%）元素组成。高分辨C 1s谱可拟合为C-C（284.5 eV）和C-O（285.3 eV）两种峰；O 1s谱显示C=O（531.8 eV）和C-O（533.5 eV）键。N 1s谱证实氮元素成功掺入碳骨架，主要存在吡啶酮-N、石墨氮和吡咯氮三种形式，其中石墨氮占主导，可增强电子导电性；吡咯氮和吡啶酮氮可引入结构缺陷和极性表面官能团，改善电解质润湿性并提供额外电化学活性位点。
**4.7 CV分析**
循环伏安测试显示所有JUAD样品的CV曲线均呈准矩形，表明具有典型的双电层电容行为。JUAD-700的CV曲线积分面积明显大于JUAD-600和JUAD-800，且在200 mV s?1高扫描速率下仍保持良好的矩形度，说明其具有优异的倍率性能和EDLC特性。动力学分析表明，JUAD-700的b值接近1，说明电荷储存以表面控制过程为主。Dunn法和Trasatti法分析显示，在5 mV s?1时JUAD-700的EDLC贡献占比为57%，随扫描速率增加至200 mV s?1时电容贡献可达89%。
**4.8 GCD分析**
恒电流充放电测试表明，JUAD-700在不同电流密度下均表现出对称的充放电曲线，无明显的IR降。在0.5 A g?1电流密度下，JUAD-700的比电容高达430.97 F g?1，远高于JUAD-600（276 F g?1）和JUAD-800（170 F g?1）。此外，JUAD-700电极在3 A g?1电流密度下经过9000次充放电循环后仍保持99.78%的初始电容，表现出优异的循环稳定性。
**4.9 EIS分析**
电化学阻抗谱分析显示，JUAD-700具有最低的等效串联电阻（ESR为2.08 Ω），溶液电阻（Rs）为1.73 Ω，电荷转移电阻（Rct）为0.35 Ω。Bode图进一步证实JUAD-700具有更低的相位角（-25.13°），表明其具有优异的导电性和快速的离子传输动力学。
**4.10 SJC-700对称器件性能**
将JUAD-700电极与PVA-H?SO?凝胶电解质组装成柔性对称超级电容器SJC-700，该器件可在0-1.8 V的宽电位窗口下稳定工作。在0.5 A g?1电流密度下，SJC-700的比电容为184.77 F g?1，能量密度高达83.14 Wh kg?1，功率密度为16.2 kW kg?1。不同弯曲角度（45°至270°）下的CV测试表明，器件在弯折时电化学性能无明显衰减，展现出优异的柔韧性。经过8000次GCD循环后，SJC-700仍能保持81.5%的电容，库仑效率为97.7%。EIS测试得到器件的Rs、Rct和ESR分别为3.94 Ω、0.16 Ω和4.1 Ω。
**5. 研究结论**
本研究成功以鸭嘴花（JUAD）茎为原料，通过碳化和KOH活化工艺制备出三维蜂窝状结构的分级多孔活性炭。研究系统考察了活化温度（600、700和800 °C）对材料结构与电化学性能的影响，发现700 °C是最佳活化温度。在此条件下获得的JUAD-700活性炭具有最高比表面积（1028 m2 g?1）、丰富的微孔-介孔-大孔分级结构、较高的石墨化程度及氮氧官能团，协同提升了材料的电化学性能。在1 M H?SO?电解液中，JUAD-700电极的比电容高达430.97 F g?1（0.5 A g?1），且在9000次循环后电容保持率为99%。采用PVA-H?SO?凝胶电解质组装的柔性对称超级电容器SJC-700表现出优异的综合性能：比电容184.77 F g?1，能量密度83.14 Wh kg?1，功率密度16.2 kW kg?1，8000次循环后电容保持率81.5%，库仑效率97.7%。该研究证明，基于JUAD生物废弃物制备的活性炭性能优于多数已报道生物质衍生碳材料，在柔性、高性能、低成本储能器件领域具有广阔的应用前景，为清洁能源技术的发展提供了新方向。
