《Journal of Energy Storage》：Boosting electrochemical performance and industrial viability of bamboo-based porous carbon via functional site introduction and mesoporous engineering
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竹基多孔碳通过尿素-甲醛辅助共碳化策略同步调控氮功能基团和介孔结构，显著提升超级电容器性能，比表面积达2162 m2·g?1，电容率388 F·g?1，循环稳定性达65,000次，同时灰分降低62%和堆积密度提高41%，满足工业标准。
王志辉|焦涛|张书敏|王天|陈在华|刘珍珍|马建峰
国际竹藤中心竹藤科学与技术重点实验室，北京，100102，中国
摘要
竹基多孔碳材料通常具有较低的堆积密度和有限的电化学活性，这限制了其在高性能超级电容器中的实际应用。为了解决这些问题，本文提出了一种尿素-甲醛辅助的共碳化策略，该策略能够同时引入氮功能基团并构建分级介孔结构。这种化学和结构的联合调控改善了电子和离子的传输性能。氮功能基团增强了界面电荷转移能力，而相互连接的介孔则提供了连续的离子扩散路径。结果表明，优化后的APC/UFR-1样品具有2162 m2·g?1的高比表面积，在0.1 A·g?1?1
引言
可再生能源系统的迅速发展加剧了全球对高效能量存储设备的需求，这些设备需要能够有效管理太阳能、风能和潮汐能等间歇性能源的输出[1]，[2]。在各种技术中，超级电容器（SCs）因其高功率密度、快速的充放电能力和出色的循环稳定性而受到广泛关注，使其在电动汽车和智能电网等应用中不可或缺[3]，[4]，[5]。然而，传统碳基超级电容器的能量密度相对较低（通常低于10 Wh·kg?1
生物质衍生碳材料因其丰富性、可再生性和可调的分级孔隙结构而成为有前景的电极候选材料[8]，[9]。特别是竹子，由于其快速的生长速度、广泛的地理分布以及在中国完善的加工产业，被认为是一个有前途的前体[10]，[11]。尽管如此，竹基多孔碳材料仍面临一些关键挑战，这些挑战限制了其工业应用。这些问题包括高灰分含量（通常超过6%），这会降低电化学稳定性并不符合电极制造标准[12]，以及由于中空的薄壁薄壁细胞结构导致的低堆积密度（低于0.3 g·cm?3
从工业角度来看，灰分含量是一个决定性质量参数，它直接影响碳电极的电稳定性和长期耐用性[15]，[16]。非导电的无机残留物（如SiO2基硅酸盐和铝硅酸盐）可能会堵塞微孔、钝化活性表面并增加电荷转移阻力[17]。竹基多孔碳材料通常含有丰富的二氧化硅灰分，即使经过酸洗也难以去除[18]。此外，竹子的固有结构包含超过50%的薄壁大腔隙的薄壁细胞，这导致碳化后的堆积密度低和填充效率差，进一步限制了电极的体积性能[19]，[20]。这些组成和结构上的限制大大降低了竹基碳材料在实际超级电容器应用中的竞争力。
以往关于竹基多孔碳的研究主要集中在提高比表面积或引入杂原子掺杂剂以改善比电容[21]，[22]。例如，KOH活化的竹子薄壁组织已被报道能够达到接近4000 m2·g?1?1
氮掺杂是另一种广泛采用的提高碳电极电化学性能的方法。引入吡啶基、吡咯基和石墨基氮物种可以增强表面润湿性、电子导电性和赝电容储能能力[26]，[27]。然而，仅靠氮掺杂无法解决竹基多孔碳材料固有的高灰分含量和低堆积密度问题。这两个参数对于工业电极制造至关重要，不能在实际应用中被忽视[28]。因此，迫切需要一种能够同时降低灰分含量、提高填充密度和增强电化学性能的协同策略。
在这项工作中，开发了一种尿素-甲醛辅助的共碳化策略来克服竹基多孔碳材料的上述局限性。尿素-甲醛树脂（UFR）是一种富含氮的聚合物，具有高交联密度和低内在灰分含量，它可以在碳化过程中同时生成氮功能基团并诱导介孔的形成。这种化学和结构的联合调控改善了离子可及的表面积和电荷转移动力学，同时有效降低了灰分含量并提高了堆积密度。通过系统调整PC与UFR的比例（1:1、1:2和1:3），阐明了氮掺入、孔结构演变和电容行为之间的关系。优化后的复合材料具有分级微介孔结构，缺陷密度适中且机械强度良好。本研究为将竹加工残渣转化为低灰分、高密度的多孔碳材料提供了实用且可扩展的途径，适用于高性能超级电容器电极的生产。
材料
实验所用材料为来自安徽太平实验林场的四年生Phyllostachys edulis竹子。竹秆经过去皮处理去除表皮和内皮后，切割、研磨并通过40–60目筛网筛选得到均匀的竹粉。将竹粉分散在去离子水中并搅拌5分钟，使其自然沉淀。在此过程中形成了两层：上层富含薄壁细胞，下层主要由竹纤维组成
形态与物理性质
竹子薄壁组织/UFR复合材料的合成过程如图1a所示。竹子薄壁组织（PC）作为结构碳框架，而尿素-甲醛树脂（UFR）既作为氮源又作为填充粘合剂。混合和压制后，前驱体盘在500°C下碳化，然后在900°C下活化，从而获得具有可调组成的氮掺杂多孔碳材料。在碳化前，前驱体混合物经过了轻微压缩
结论
总之，本文提出了一种尿素-甲醛辅助的共碳化策略，用于同时提高竹基多孔碳材料的电化学性能和工业适用性。通过将竹子薄壁组织与富含氮、低灰分的聚合物前驱体结合，构建了一个分级多孔且氮掺杂的碳框架，该框架具有相互连接的介孔和丰富的电化学活性位点。这种结构设计有效促进了离子传输
CRediT作者贡献声明
王志辉：撰写——原始草稿，数据分析，概念化。焦涛：撰写——审阅与编辑，方法学研究。张书敏：研究工作。王天：软件使用，资源准备。陈在华：资源准备。刘珍珍：撰写——审阅与编辑。马建峰：撰写——审阅与编辑，资源获取，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFD2200904）的财政支持。
