《Journal of Energy Storage》：Synthesis of natural N- and ZnO co-doped 3D porous carbon derived from
Cyclea barbata leaves for high-energy symmetric supercapacitors
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氮掺杂多孔碳-ZnO复合材料通过Cyclea barbata叶热解-活化法制备，800℃处理样品CBLAC-800比电容达210 F g-1，对称器件能量密度21.31 Wh kg-1，功率密度245.15 W kg-1。
埃尔曼·泰尔（Erman Taer）| 努尔西亚夫尼（Nursyafni）| 埃维·苏拉斯特里·阿里托南（Evi Sulastri Aritonang）| 苏普里亚迪·普特拉（Supriadi Putra）| 阿普里万迪（Apriwandi）| 里卡·塔斯利姆（Rika Taslim）
印度尼西亚廖内省佩坎巴鲁市廖内大学（University of Riau）数学与自然科学学院物理系，邮编28293
摘要
随着对环保型储能系统需求的增加，由可持续材料制成的超级电容器的发展也日益受到重视。本研究采用简单的热解-活化方法，利用Cyclea barbata植物的叶子合成了天然氮掺杂的层次多孔碳和氧化锌（ZnO）。通过调节热解温度（700至900°C之间）来控制孔结构。最优活化碳样品CBLAC-800的组成分别为：碳（C）78%、氮（N）8.69%、氧（O）4.99%和锌（Zn）6.55%，这些成分显著提升了其表观电容。CBLAC-800电极在1 A g?1的电流密度下实现了210 F g?1的比电容，并具有0.145 Ω的低内阻。基于CBLAC-800的对称超级电容器装置能量密度达到21.31 Wh kg?1，功率密度达到245.15 W kg?1。这些结果表明Cyclea barbata叶子作为高性能对称超级电容器电极材料的可持续生物质前体具有巨大潜力。
引言
自工业时代以来，二氧化碳（CO2）、甲烷和一氧化二氮等温室气体的浓度迅速上升，加速了全球气候变化[1]。根据联合国（UN）的预测，到2030年全球排放量预计将超过控制全球温度所需的阈值。为应对这一挑战，政府间气候变化专门委员会（IPCC）建议到2030年将全球排放量减少45%，并在2050年前实现完全碳中和。其中，超过四分之三的温室气体排放来自能源行业，这凸显了向太阳能、风能、水能和生物质能等环保能源转型的必要性。
能源转型的成功不仅取决于可再生资源的可用性，还依赖于可靠且高效的储能系统的发展。随着向可再生能源转型的紧迫性增加，坚固、高效且耐循环次的储能系统变得至关重要。超级电容器因其快速储能和释能的能力、环保特性以及长期稳定性，成为连接电容器和电池的理想解决方案。它们在军事领域（如雷达系统和战斗车辆点火系统）以及民用领域（包括电动汽车和公共交通）中展现出广泛的应用潜力[2]、[3]。高功率设备需求的增长也显著推动了超级电容器市场的扩张。根据mordor intelligence的数据，2023年全球超级电容器市场价值达到6.9亿美元，预计到2028年的复合年增长率为11.14%[4]。
除了双电层电容器（EDLC）外，储能设备还包括混合电容器。这类电容器结合了类似于EDLC的静电电荷存储机制和电池中的法拉第反应[5]，从而在保持更高功率和稳定性的同时实现更高的能量密度。尽管如此，本研究将重点关注基于碳的EDLC超级电容器，因为它们具有优异的循环稳定性、快速充电能力以及从生物质来源合成电极材料的便利性。
超级电容器的性能在很大程度上取决于所使用电极的特性。电极是储存和释放电荷过程中的关键组件。超级电容器通常使用具有优良导电性的碳电极，可通过可控的孔结构获得最佳的比电容和能量效率[6]。然而，大多数碳电极（如石墨烯、纳米管和纳米球）通常通过复杂的、昂贵的方法从石油和煤炭副产品中制备。作为可持续替代品，基于生物质的碳因丰富的资源、低成本、高碳含量和环保特性而成为有前景的选择。生物质碳具有三维层次孔结构，由相互连接的微孔、介孔和 macropores 组成。在这种结构中，电解质离子首先进入 macropores 作为储存库，然后通过介孔传输到 microholes 进行电荷积累。这种孔结构提供了短而高效的离子扩散路径，从而提升了超级电容器的比电容和快速响应时间[7]。生物质天然含有碳（C）、氮（N）和氧（O）等元素，这些元素在热解过程中能够形成掺杂碳，异质原子在创建活性位点方面发挥作用，通过快速氧化还原反应提升表观电容[8]、[9]。此外，可通过添加含有异质原子（如尿素、三聚氰胺或磷酸）的化合物进行外部掺杂。除了提供支持法拉第反应的活性位点外，异质原子的存在还有助于改善孔结构并提高导电性，从而为超级电容器电极材料带来高性能[10]。
基于先前的研究，杨等人（2024年）成功合成了掺氮和磷的层次多孔碳，使用尿素作为氮源、三聚氰胺磷酸盐作为磷源。该样品在0.5 A g?1的电流密度下获得了116 F g?1的比电容，最高比表面积为1849 m2 g?1[11]。吴等人（2023年）也将夏威夷果壳转化为掺氮和氧的多孔碳，比电容达到245.5 F g?1（电流密度1 A g?1），所使用的氮源为三聚氰胺[12]。虽然这种外部掺杂方法常见，但过程复杂且耗时较长，可能对环境和人类产生负面影响。相比之下，内部掺杂利用天然含有异质原子的生物质前体直接制备掺杂碳，因此被认为比外部方法更高效、经济且环保[13]。
与内部掺杂策略一致，Cyclea barbata叶子是制备活性炭的理想前体，因为其叶子中含有丰富的叶绿素，叶绿素中的卟啉环结构富含氮。这些叶子广泛分布于亚热带地区，如亚洲、东非和美洲，特别是在孟加拉国、柬埔寨、印度尼西亚、泰国、越南、中国和缅甸[14]、[15]、[16]。除了高叶绿素含量外，Cyclea barbata叶子还因其多糖（如戊聚糖和果胶）含量而具有天然形成凝胶的能力。这些多糖在热解过程中会分解成芳香碳结构，形成的天然Cyclea barbata叶子凝胶结构也有助于形成层次多孔结构。因此，本研究旨在利用Cyclea barbata叶子合成掺氮和氧化锌的层次多孔碳，用于超级电容器电极。活性炭的合成过程通过高温热解和0.5 M ZnCl2的化学活化完成。在ZnCl?的帮助下，生物质碳化过程中大部分锌会转化为氧化锌（ZnO），形成的ZnO纳米颗粒会留在碳的孔中，这种状态称为原位ZnO掺杂。最优活化碳样品CBLAC-800的孔结构为：碳（78%）、氮（8.69%）、氧（4.99%）和锌（6.55%），其比表面积为264.668 m2 g?1，比电容为210 F g?1。基于CBLAC-800的对称超级电容器装置能量密度为21.31 Wh kg?1，功率密度为245.149 W kg?1。这些结果表明Cyclea barbata叶子作为可持续储能应用的功能性活性炭材料具有巨大潜力。
材料
Cyclea barbata叶子取自印度尼西亚本库鲁（Bengkulu），作为碳的基本原料。使用的化学活化剂是Merck KgaA公司的氯化锌（Zinc Chloride）。PT. Aneka Gas Industri公司是碳化和物理活化过程中所需的N2和CO2气体的供应商。电解液H2SO4来自Panreac Química Sau公司。分离剂采用鸭蛋壳膜，在实验室规模下使用去离子水进行冲洗或作为溶剂介质。
从Cyclea barbata叶子制备活性炭
结果与讨论
图1显示了不同活化温度下样品热解前后密度的变化。结果表明，热解后密度显著降低，说明ZnCl2活化成功提高了孔隙率，去除了挥发性化合物，使材料变得更轻[20]。CBLAC-700、CBLAC-800和CBLAC-900的密度收缩率分别为33%、64%和55%。CBLAC-700最低的收缩率表明其物理活化过程效果最佳。
结论
本研究成功合成了来自Cyclea barbata叶子的氮掺杂和氧化锌掺杂的层次多孔活性炭。工艺包括0.5 M ZnCl2化学浸渍后，在700至900°C的温度下进行一步物理活化。热解温度的变化对控制孔结构和最终碳材料的电化学性能起着关键作用。
CRediT作者贡献声明
埃尔曼·泰尔（Erman Taer）：验证、方法论、数据管理、概念构建。
努尔西亚夫尼（Nursyafni）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、实验研究。
埃维·苏拉斯特里·阿里托南（Evi Sulastri Aritonang）：资源协调。
苏普里亚迪·普特拉（Supriadi Putra）：数据可视化、数据管理。
阿普里万迪（Apriwandi）：撰写 – 审稿与编辑、数据分析。
里卡·塔斯利姆（Rika Taslim）：验证、方法论、数据管理、概念构建。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
埃尔曼·泰尔受到廖内大学数学与自然科学学院的资助，并在该学院任职。他正在申请一项专利。
致谢
本研究得到了印度尼西亚高等教育总局（Kemdiktisaintek）2025年基础研究计划的资助，合同编号为19521/UN19.5.1.3/AL.04/2025。
