卤素诱导缺陷调控构建分级多孔生物质碳材料及其在超级电容器中的高性能应用

本文创新性地采用卤素(N/Cl/F)共掺杂策略，通过NH4Cl和NaF原位活化哈密瓜皮制备多孔碳材料(Cl,F-HPC-0.5)。该材料具有超高比表面积(4501 m2 g?1)和优异电化学性能，在1 A g?1下展现469.1 F g?1比电容，组装的对称超级电容器(SC)能量密度达32.4 Wh kg?1，且万次循环后容量保持率93.93%，为生物质碳材料在储能领域的应用提供新思路。

　　

Highlight

本研究通过卤素原子掺杂工程，成功将低价值的哈密瓜皮转化为高性能超级电容器电极材料。独特的N/Cl/F三元素协同作用显著提升了材料的电子传导性和表面润湿性，同时构建了分级多孔结构促进离子快速传输。

Chemical reagents and materials

实验采用市售哈密瓜皮为原料，所有化学试剂均为分析纯。硝酸(HNO₃)、氢氧化钾(KOH)、乙醇(C₂H₅OH)购自北京化工厂，氟化钠(NaF)、氯化铵(NH₄Cl)等试剂来自上海阿拉丁生化科技。

Characterization

扫描电镜(SEM)分析显示，优化后的Cl,F-HPC-0.5样品具有显著的多孔形貌（图1c），这种三维互穿网络结构为电解质渗透提供了理想通道。比表面积测试证实其具有4501 m² g^?1的超高值，远超常规生物质碳材料。

Conclusion

该工作开发的环境友好型合成策略，通过精准调控卤素掺杂量（特别是Cl,F-HPC-0.5样品），实现了材料比表面积、导电性和反应活性位的协同优化。组装的对称超级电容器在0-1.8 V工作电压下展现出32.4 Wh kg^?1的高能量密度，且在高电流密度下仍保持93.93%的循环稳定性，突破了生物质碳材料在储能领域的性能瓶颈。

CRediT authorship contribution statement

王岩负责实验设计与论文撰写，田玉梅和卢海燕指导课题并修改论文，其他作者分别参与数据验证、可视化等工作。

Declaration of competing interest

作者声明无利益冲突

Acknowledgment

感谢吉林省科技发展计划项目(20250102066JC)和中国一汽集团科技创新重大项目(20220301018GX/20220301019GX)的资助。

Conclusion

本研究成功将农业废弃物转化为高性能储能材料，卤素掺杂策略不仅优化了材料的电子结构，还通过缺陷工程创造了丰富的活性位点。这种"废物高值化"的研发思路，为开发低成本、可持续的新型能源存储系统提供了重要参考。