《Journal of Bioresources and Bioproducts》：Synergistic Enhancement of Electrochemical Performance in Lignin-Based Carbon Aerogel Supercapacitors through Phytic Acid-Induced Spherical Structure Formation and Dual P/S Heteroatom Doping
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为解决可再生电能存储对高性能电极材料的迫切需求，研究人员开展了植酸诱导磷/硫（P/S）共掺杂木质素基碳气凝胶（LCAs）的研究。通过植酸调控形成规则球形结构并实现P/S高效掺杂，所得材料LCA-2-700在0.5 A/g下比电容达362 F/g，组装的对称电容器能量密度为40.1 W·h/kg，20,000次循环后电容保持率82.5%。该研究为生物质废弃物的高值化利用及高性能超级电容器开发提供了新策略。
随着全球能源危机加剧和可再生能源（如风电、光伏）的大规模部署，开发高效、低成本的能量存储系统成为当务之急。超级电容器（Supercapacitors, SCs）因具有高功率密度、快速充放电和长循环寿命等优势备受关注，但其性能高度依赖电极材料的结构设计。传统多孔碳材料虽具备可调控的孔结构，但高昂的制备成本限制了其实际应用。因此，利用可再生生物质前驱体（如木质素）制备功能化碳材料，成为突破性能与成本平衡的关键路径。
木质素作为丰富的芳香族聚合物，是理想的碳源，但其本征电化学活性有限，需通过异质原子掺杂（如氮、磷、硫）和结构调控以提升性能。碳气凝胶（Carbon Aerogels, CAs）因其三维分级多孔结构和导电网络，是超级电容器的理想电极材料。然而，现有掺杂方法常涉及复杂工艺或有毒试剂，难以兼顾绿色合成与高性能。
为解决这一矛盾，大连工业大学的研究团队在《Journal of Bioresources and Bioproducts》发表论文，提出一种可持续策略：以造纸工业副产物——木质素磺酸镁（Magnesium Lignosulfonate, LS）为硫源，海藻酸钠（Sodium Alginate, SA）为骨架，植酸（Phytic Acid, PA）为磷源和形貌调控剂，通过冷冻干燥和高温碳化制备磷/硫（P/S）共掺杂碳气凝胶。植酸不仅提供磷原子，还通过其酸性诱导前驱体自组装形成规则球形结构，实现异质原子的均匀掺杂。
研究采用的关键技术包括：以LS、SA、PA为原料，通过溶液混合、冷冻干燥（-45°C）和高温碳化（600–800°C）制备碳气凝胶；利用场发射扫描电镜（FE-SEM）观察微观形貌，氮气吸附-脱附测定比表面积和孔径分布，X射线光电子能谱（XPS）分析表面元素化学态，电化学工作站（三电极/两电极体系）测试比电容、能量密度和循环稳定性。
材料表征与形貌分析
FE-SEM结果显示，未添加PA的样品（LCA-700）表面粗糙无序，而PA的引入促使材料形成规整球形层级结构（图3c）。当LS:SA:PA质量比为5:5:2、碳化温度700°C时，所得样品LCA-2-700具有最均匀的球形结构和最大比表面积（273.107 m2/g）。EDS元素映射表明P（3.35%）、S（0.47%）在碳球表面均匀分布（图3g）。XPS证实P以P=O（136.1 eV）和P–O（134.6 eV）形式存在，S以C–S–C（164.1 eV）和氧化态硫（168.7 eV）存在，这些官能团为赝电容反应提供活性位点。
孔结构与化学性质
氮气吸附显示LCA-2-700以介孔为主（平均孔径4.74 nm），优于微孔主导的LCA-2-600/800（图4a–b）。Raman光谱中ID/IG≈2.8表明材料具有一定石墨化程度，XRD宽衍射峰（23°）则反映其整体为无定形碳结构。
电化学性能
在三电极体系中，LCA-2-700在0.5 A/g电流密度下比电容高达362 F/g，远高于未掺杂样品（131 F/g）。CV曲线在-0.6—0.8 V出现宽氧化还原峰，证实P/S掺杂引入赝电容贡献（图6a）。EIS测试显示其电荷转移电阻仅0.0045 Ω，离子扩散效率优异（图6f）。Dunn方程分析表明，其电容贡献中赝电容占比达59%–88%（图6i）。
在两电极对称电容器中，LCA-2-700//LCA-2-700在1 A/g下能量密度为40.1 W·h/kg（功率密度700 W/kg），20,000次循环后电容保持率82.5%（图7e），性能优于多数已报道木质素基碳材料。
结论与意义
该研究通过植酸诱导的球形结构构建和P/S双掺杂协同策略，实现了木质素基碳气凝胶电化学性能的显著提升。其创新性在于：利用工业副产物LS实现硫自掺杂，降低成本；PA兼具掺杂与形貌调控双功能；球形介孔结构加速离子传输，异质原子官能团增强赝电容。该工作为生物质废弃物的高值化利用提供了绿色路径，并为设计高性能超级电容器电极材料提供了新思路。
