《Bioresource Technology》：High-performance supercapacitor electrodes obtained from biodeteriorated bamboo porous carbon activated by nanoarchitectonics through chemical activation and air oxidation
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•纳米构筑策略整合了生物降解与活化。•通过活化和空气氧化制备了多孔活性炭。•ZnCl2活化提高了比表面积和适宜的介孔比例。•分子动力学证实介孔中Zn2+离子的可及性得到增强。引言超级电容器是一种新型储能器件，凭借其高功率密度、长循环寿命和出色的安全性，已广泛应用于电动汽车、便
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纳米构筑策略整合了生物降解与活化。
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通过活化和空气氧化制备了多孔活性炭。
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ZnCl2活化提高了比表面积和适宜的介孔比例。
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分子动力学证实介孔中Zn2+离子的可及性得到增强。
引言
超级电容器是一种新型储能器件，凭借其高功率密度、长循环寿命和出色的安全性，已广泛应用于电动汽车、便携式电子设备和可再生能源系统等诸多领域（Tan等，2026）。超级电容器在功率密度和安全性方面具有显著优势；然而，其相对较低的能量密度（约5 Wh·kg?1）严重限制了其在需要高能量容量场景中的应用（Choi等，2020）。超级电容器的核心性能由电极材料决定。电极材料的选择和优化直接决定了超级电容器的能量密度、功率密度和循环稳定性。碳基材料长期以来一直是超级电容器电极材料的重点关注对象，因其成本低廉、电导率优异、比表面积高且化学稳定性良好（Islam等，2025）。碳基材料不仅具有理想的电导率和电化学稳定性，还能显著增强超级电容器的电容性能，特别是在通过合理设计其孔结构和表面官能团来提高能量密度方面（Askari等，2025）。
竹子是一种分布广泛的生物量资源，具有生长迅速的特点，富含纤维素、半纤维素和木质素，这些组分在高温碳化过程中可转化为多孔结构，从而获得大的比表面积和优异的电导率。这些特性使竹子成为一种环保且理想的碳源，且竹基活性炭已被证明是适用于超级电容器等储能器件的合适电极材料（Qiu等，2022）。然而，将竹子加工成电极材料往往面临一些挑战，例如其表面结构相对致密、孔隙发育不充分，这在很大程度上会阻碍电化学性能。
生物降解是一种节能、低成本的预处理技术，需要温和的工况条件。它利用微生物的活性来解构生物质原料的难降解结构，从而形成丰富的孔隙和结构缺陷。所得多孔结构不仅显著提高了比表面积，还增强了衍生碳材料的电荷储存能力（Teng等，2025）。与传统的高温预处理相比，生物降解能够在较低温度和更温和的条件下实现材料的有效加工，从而避免了高温热解可能造成的结构损伤和性能下降（Guan等，2025）。
然而，仅依靠生物降解往往不足以在活性炭中实现理想的孔隙结构和电化学性能。为克服这一问题，制备过程采用纳米构筑框架进行了改进，将化学活化和空气氧化作为互补的、面向设计的步骤进行协同调控（Ariga，2026）。使用ZnCl2、K2CO3和H3PO4等试剂进行化学活化，可增强孔隙率、提高比表面积并优化孔结构（Yang等，2025a），而空气氧化则可在碳表面引入氧化物物种和氧化官能团（Zhou等，2025）。这种协同的、面向设计的方法确保了离子/电子传输路径和表面电化学活性的优化，从而显著提高了电极材料的电荷储存能力。
近年来，水系锌离子混合电容器（ZIHCs）作为一种有前景的储能技术脱颖而出，因其电解质安全性和良好的电极材料性能而备受关注（Klimek等，2024）。通过利用Zn2+离子作为电荷载体，ZIHCs提供了更宽的工作电压窗口、更高的能量密度和更长的循环寿命。与传统电解质相比，水系锌离子电解质不仅表现出更优越的安全性，还受益于锌的天然丰度、低成本和可回收性等优势。ZIHCs能够在保持与传统超级电容器相似的快速充放电动力学特性的同时，提供显著更高的能量密度（Peng等，2025）。ZIHCs的发展不仅需要解决电导率和结构稳定性问题，还需要关注Zn2+离子在电极基体内部的嵌入/脱嵌行为这一关键问题。因此，合理设计先进活性炭基电极材料以提高ZIHCs的电容性能仍是一项关键的研究挑战。
本研究采用纳米构筑驱动的协同方法，整合生物降解、化学活化和空气氧化来构建高性能碳基电极材料，并随后研究其在ZIHCs中的应用。通过纳米构筑策略，活性炭的多尺度结构、分级孔隙和表面官能团在纳米尺度上得到精确调控，使超级电容器和ZIHCs的先进电极材料能够实现能量密度和电化学性能的增强并得到合理设计。这种基于纳米构筑的方法为高效、可持续储能系统的开发提供了一条有前景的途径。
章节摘要
竹子的生物降解
毛竹（Phyllostachys edulis）竹竿采自中国湖北省咸宁市的一片毛竹林。新鲜竹样（含水量约60%）通过40目筛进行过粉碎。然后将竹粉与Trichoderma按2%的接种量进行混合。接种后，竹子在70%湿度、25 °C且氧气充足的环境中保持40天的生物降解过程，期间Trichoderma分解了纤维素
多孔活性炭的元素组成
元素组成分析（补充材料表S1）显示，微生物预处理提高了PC-B的碳化程度。随后的化学活化引入了不同的结构改性：三聚氰胺活化产生了高氮掺杂（17.71 wt%），但导致了结构退化。磷酸活化通过磷酸盐介导的结合维持了骨架稳定性。钾活化最优化地保留了碳骨架。相反，氯化锌
结论
本研究系统地研究了竹基碳在储能领域的应用，揭示出纳米构筑驱动的生物降解、化学活化和空气氧化的整合显著提高了分级孔隙结构和电化学性能。PAC-Zn表现出最高的比表面积902.66 m2·g?1，以及在1 A·g?1下310.91 F·g?1的比电容。组装的对称超级电容器在225.41 W·kg?1的功率密度下提供了12.63 Wh·kg?1的能量密度，而
CRediT作者贡献声明
Tao Song：撰写—审稿与编辑，撰写—原稿撰写，可视化，形式分析，数据整理。Jimeng Deng：撰写—原稿撰写，可视化，形式分析，数据整理。Zhuochao Wang：可视化，验证。Hongliang Cao：资源，经费获取。Fei Zhong：资源，形式分析。Wenjuan Niu：资源，项目管理，经费获取，概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究由武汉市自然科学基金探索计划项目（晨光计划2024040801020297）和湖北省自然科学基金（2024AFD368）资助。
Tao Song|Jimeng Deng|Zhuochao Wang|Hongliang Cao|Fei Zhong|Wenjuan Niu
