《Biomass and Bioenergy》：Sustainable upcycling of bamboo sheath biomass to hierarchical porous carbon for next-generation supercapacitors
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竹秆外皮经KOH活化碳化制备出多级孔碳材料，比表面积达1285 m2/g，超级电容器在1 A/g电流密度下比电容268 F/g，循环稳定性优异。
Ariharan Arjunan | Sivaprakasam Radhakrishnan | Sung-Kon Kim
韩国首尔东国大学化学与生物化学工程系
摘要
利用可再生资源开发高性能碳电极对于推进下一代电化学储能系统至关重要。在本研究中，我们提出了一种高效的方法，将竹子外层生物质转化为具有1285 m2 g?1大比表面积的层次化多孔碳材料。这种由相互连接的层次化多孔网络和富含缺陷的碳结构组成的复合材料，显著提升了离子扩散速率，并为电荷储存提供了丰富的活性位点。在三电极配置下测试时，优化后的碳电极在1 A g?1电流下实现了471 F g?1的比电容，证明了其出色的电荷储存能力。对称结构的双电极超级电容器进一步展示了该材料的实际应用潜力，其比电容达到268 F g?1，能量密度为37.2 Wh kg?1，功率密度为515 W kg?1。值得注意的是，该设备在经历10,000次充放电循环后仍保持了98.4%的初始电容，体现了其卓越的长期电化学稳定性和耐久性。本研究凸显了竹子外层生物质作为可扩展且经济可行的先进多孔碳材料前体的巨大潜力，为开发环保、高性能的超级电容器以实现可持续能源存储提供了有效途径。
引言
全球能源需求的快速增长以及对可再生能源依赖度的增加，加剧了对高效、可靠和可持续储能技术的需求[1,2]。在各种储能选项中，超级电容器（SCs）因其能够有效弥补传统电池与普通电容器之间的性能差距而备受关注[3,4]。超级电容器具有高功率密度、快速充放电能力和优异的循环寿命，非常适合需要快速能量传输和频繁循环的应用场景，如电动汽车、电网稳定、便携式电子设备以及应急电源系统[5,6]。与传统电池不同，超级电容器主要通过电极-电解质界面上的静电电荷积累来储存能量，因此能够实现近乎瞬时的充放电过程，并具备更好的循环稳定性[7,8]。将间歇性可再生能源（如太阳能和风能）整合到现代电网中时，超级电容器能够迅速应对短期电力波动，而传统电池则在混合储能配置中提供更长时间的持续能量输出[9, [10], [11]]。因此，全球向电气化和可持续能源基础设施转型的趋势凸显了推进超级电容器材料和器件架构的重要性，这些材料和架构需要同时满足性能、成本效益和环境兼容性的严格要求[12, [13], [14]]。
电双层电容器（EDLCs）作为超级电容器的一个主要分支，通过电极-电解质界面上的可逆离子吸附来储存能量，过程中不会发生显著的化学变化[15,16]。EDLCs的效率和容量直接取决于电极材料的结构和化学性质，其中比表面积（SSA）、孔隙分布、电导率和表面功能都对整体性能起着关键作用[17]。基于碳的材料（包括活性炭、石墨烯、碳纳米管和碳气凝胶）由于其可控的孔隙结构、高比表面积、化学稳定性和优异的电导率而成为最常用的材料[18,19]。尽管这些材料具有出色的电化学性能，但传统碳材料仍面临成本高、可扩展性受限以及合成工艺复杂等挑战，这些因素严重阻碍了其大规模商业化应用[20, [21], [22], [23]]。因此，优化碳电极的结构属性和表面化学性质对于提升EDLC器的电荷储存能力和离子传输速度至关重要[24]。
最近，源自生物质的碳材料因其成本效益高、可持续性和环保性而受到广泛关注，成为EDLC电极的理想替代品[25,26]。通过使用可再生原料、可扩展的碳化工艺和先进的活化方法，研究人员成功制备出了在功率和能量密度方面都有所提升的环保电极材料，从而解决了传统EDLCs长期存在的难题[27,28]。农业废弃物、木材废料和椰子壳等生物质来源具有天然的层次化微观结构，在碳化和活化过程中能够保留并优化这种结构，从而生成高度多孔的碳材料[29,30]。这种内在的层次结构促进了相互连接的层次化多孔网络的形成，为离子吸附提供了丰富的活性位点，提升了电化学性能[31, [32], [33]]。
在各种生物质来源中，竹子因其丰富的储量、可再生性和天然的层次化结构而受到越来越多的关注[34]。竹子在全球热带和亚热带地区广泛分布，中国和印度占全球竹资源的60%以上[35]。作为生长最快的植物之一，竹子的生长速度可达每天90厘米，从而实现高效的碳固定和大量的生物质生产[36]。竹子富含纤维素的纤维和木质素基质形成了三维微通道结构，可以高效转化为具有高比表面积和可调孔隙分布的多孔碳材料[37]。竹子自身的维管系统为生成层次化孔隙提供了天然模板，有助于提高碳基电极中的离子传输效率和电解质的渗透性[38]。本研究合成了源自竹子外层的层次化多孔碳材料，并对其结构、微观结构和电化学性能进行了全面表征。利用竹子废弃物（如竹子外层）不仅提高了生物质的价值，还促进了循环经济和碳中和目标的实现。据我们所知，此前尚未有研究报道将竹子外层衍生的碳材料用于超级电容器电极。实验结果表明，优化后的碳材料表现出优异的储能性能，凸显了其作为可持续、高性能超级电容器电极材料的潜力。
实验部分
竹子外层衍生层次化多孔碳的制备
收集了原始的竹子外层，用自来水彻底清洗后切成小块。约20-30克的竹子外层用去离子水冲洗，然后在80°C下干燥12小时。干燥后的外层浸入氢氧化钾（KOH）溶液中浸泡24小时。浸泡完成后，取出外层用去离子水清洗，再在80°C下干燥2小时。将处理过的样品放入石英舟中，进行碳化处理。
结果与讨论
XRD分析显示，BS-C和BS-AHPC样品（图2a）分别在约22.6°和43.7°以及25.4°和43.9°处出现两个特征性的宽衍射峰，对应于碳的（002）和（100）晶面。值得注意的是，BS-AHPC的衍射峰强度高于BS-C，尤其是在（002）晶面处，表明活化后其结构有序性得到了一定程度的改善，石墨化结构也得到了部分增强[42]。
结论
本研究提出了一种通过碳化和KOH活化将竹子外层生物质转化为层次化多孔碳的可靠且可持续的方法。所得到的BS-AHPC材料具有1285 m2 g?1的比表面积，以及精心设计的微孔和中孔网络，这些因素共同决定了其卓越的电化学性能。由两块BS-AHPC电极组成的对称超级电容器实现了268 F g?1的比电容。
CRediT作者贡献声明
Ariharan Arjunan：撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构建。
Sivaprakasam Radhakrishnan：实验研究、数据分析。
Sung-Kon Kim：论文修订与编辑、项目监督、资金筹措。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了韩国贸易、工业和资源部（MOTIR）以及韩国中小企业技术信息促进机构（TIPA）资助的“工业战略技术发展计划-材料/组件技术开发计划”（RS-2025-25457767）和“2026年东国大学研究基金”的支持。
