综述：生物质热解制备氮掺杂生物炭：制备工艺、氮掺杂生物炭特性与超级电容器之间的关系

这篇综述系统阐述了生物质热解制备氮掺杂生物炭（N-doped biochar）的工艺优化及其在超级电容器（supercapacitor）电极材料中的应用。通过量化分析热解、活化（activation）和氮掺杂（N-doping）工艺对生物炭比表面积（1500-2500 m2/g）、孔容（1.0-2.0 cm3/g）及氮含量（6-10 wt%）的影响，揭示了其与比电容（400 F/g）的正相关性，为高性能电极材料设计提供了理论依据。

　　

生物质的理化特性

生物质作为最大的碳基可再生能源（Renew. Energ.），其类型与组分直接影响热解产物质量。木质类和农业生物质的纤维素含量相近（35-50%），但木质类生物质具有更高的热稳定性，而富氮生物质（如藻类）可通过自掺杂机制提升氮含量。

生物炭制备工艺

热解过程中，升温速率、温度（通常500-800°C）和气氛（如CO₂）共同调控生物炭孔隙结构。活化工艺中，KOH化学活化可使比表面积提升4-5倍（达2500 m²/g），而CO₂物理活化则促进微/介孔形成。氮掺杂通过尿素共热解或原位掺杂，将氮含量提高至6-10 wt%，同时引入吡啶-N（pyridinic-N）和吡咯-N（pyrrolic-N）等活性基团。

生物炭的形成机制

热解时纤维素和木质素的分解产生芳香碳骨架，活化过程中KOH通过“刻蚀-逃逸”机制形成多孔结构。氮掺杂则通过取代碳晶格中的sp²杂化位点，改变电子分布，增强导电性。

超级电容器性能关联

比表面积与比电容呈正相关：2000-2500 m²/g时电容达250-300 F/g，氮含量增至5-10 wt%后，赝电容效应使电容升至400 F/g。对称器件能量密度可达16.3 Wh/kg，循环稳定性超过3000次。

结论与展望

未来需优化低成本生物质原料选择，开发一步法热解-活化-掺杂联用工艺，并探索硫/磷共掺杂对电容性能的协同效应。