碱活化稻壳碳电极的结构调控与超级电容器性能对比研究

本研究系统比较了KOH、NaOH及其混合碱活化稻壳生物质碳的超级电容器性能。NaOH活化样品在0.5 A g?1下获得最高比电容（160.53 F g?1），混合碱活化样品表现出最优循环稳定性（10,000次循环后容量保持率102.41%）和最低内阻（0.05 Ω）。研究表明电化学性能由多因素协同调控，为农业废弃物资源化制备高性能超级电容器电极提供了优化策略。

　　

引言：生物质碳在能源存储中的潜力

稻壳衍生的生物质碳因其可持续性和低成本特性，在超级电容器（Supercapacitor）领域展现出显著潜力。本研究通过系统比较KOH、NaOH及其混合碱对稻壳碳的活化效果，深入探讨了不同活化剂对材料结构和电化学性能的调控机制。

材料制备与活化方法

稻壳碳通过碱性水热活化法制备，分别采用KOH、NaOH及两者混合物作为活化剂。活化过程在高温惰性气氛下进行，通过调控碱浓度和活化温度实现多孔结构的定向构建。所得碳材料经过洗涤、干燥后获得高比表面积的多孔碳电极。

结构表征与性能分析

微观结构特征

扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析显示，NaOH活化样品呈现发达的分级多孔结构，具有丰富的微孔和介孔分布。混合碱活化样品则表现出更均匀的孔道结构，有利于电解液离子传输。KOH活化样品虽比表面积较高，但孔分布较宽，部分大孔导致体积容量受限。

电化学性能评估

在三电极体系中进行循环伏安（CV）和恒电流充放电（GCD）测试：

• •
  NaOH活化电极在0.5 A g^?1电流密度下比电容达160.53 F g^?1，归因于其优化的微孔结构与表面化学性质的协同作用。
• •
  混合碱活化电极表现出卓越的循环稳定性，10,000次循环后容量保持率达102.41%，且内阻最低（0.05 Ω），表明其具有优异的界面电荷传输特性。
• •
  KOH活化电极性能均衡，比电容为154.12 F g^?1，容量保持率97.18%，内阻0.06 Ω。

机理探讨：多参数协同调控机制

研究表明，电化学性能并非由单一因素主导，而是取决于比表面积、孔径分布、表面官能团和导电性的综合作用：

• •
  高比表面积提供大量活性位点，但需与孔径分布匹配以实现高效离子迁移。
• •
  含氧官能团（如羧基、羟基）通过赝电容贡献提升容量，但过量官能团可能导致导电性下降。
• •
  混合碱活化通过平衡微孔生成与石墨化程度，实现了结构稳定性和导电性的最优组合。

应用前景与可持续性分析

稻壳碳电极的低成本、高性能和环境友好特性使其适用于大规模能源存储系统。本研究为农业废弃物的高值化利用提供了技术路径，符合可持续能源材料的发展需求。未来工作可聚焦于掺杂改性、复合电极设计及全电池性能优化。

结论

碱性活化剂类型显著影响稻壳碳的结构和电化学性能：NaOH活化优先提升比电容，混合碱活化兼顾循环稳定性和导电性，KOH活化实现性能平衡。该研究为生物质碳材料的精准设计和超级电容器应用提供了重要理论依据与实践指导。