一步法碳化-活化制备高比表面积原位氮掺杂生物质多孔碳及其在超级电容器中的卓越性能

本文报道了一种通过一步碳化-活化法从蒜苗生物质制备高性能多孔碳材料（GPC-4）的创新研究。该材料具有2776 m2/g的超高比表面积（SSA）、优化的孔径分布和原位氮掺杂特性，在超级电容器（SCs）中展现出663.1 F/g的优异比电容和97.2%的循环稳定性（8000次循环后）。这项工作为开发可持续、高性能的碳基电极材料提供了绿色合成新范式。

　　

Highlight

蒜苗衍生多孔碳（GPC-4）通过一步碳化-活化法制备

材料具有2776 m²/g的超高比表面积和分级孔结构

原位氮掺杂显著提升界面润湿性、电子传导性和赝电容活性

在三电极体系中展现663.1 F/g的卓越比电容（0.5 A/g）

对称超级电容器在6 M KOH电解液中实现330.2 F/g的电容值

Morphology and Structure

通过XRD和SEM对蒜苗的物相和形貌进行表征。XRD图谱显示在21.3°处出现宽衍射峰，对应石墨的（002）晶面（图S1a），表明其具有无定形碳特征。SEM图像显示蒜苗具有致密的块状结构，表面相对光滑且孔结构稀少（图S1b和c）。元素分布分析表明材料中均匀分布着碳、氧和氮元素。

Conclusion

本研究开发了一种简便高效的一步碳化-活化策略，用于制备高性能生物质多孔碳电极。所得材料具有优化的孔径分布、明确的分级孔结构、超高比表面积（SSA）和有利的杂原子掺杂特性。在三电极体系中，该材料在0.5 A/g电流密度下展现出663.1 F/g的出色比电容（C??），并具有显著的倍率性能保持能力（10 A/g时仍保持72.3%的初始电容）。这些优异的电化学性能主要归因于：1）超高SSA（2776 m²/g）提供了丰富的电化学活性位点；2）分级孔结构促进了高效的离子传输；3）氮掺杂增强了电子传导性和表面润湿性。这项工作为开发可持续、高性能的超级电容器电极材料提供了新的设计思路。

CRediT authorship contribution statement

方芳刘：负责论文撰写、审阅、监督、项目管理、调查、资金获取、形式分析和概念化；刘金元：负责软件和方法开发；何健：负责软件和数据分析；牛济南：参与论文审阅和方法指导；冯培中：参与论文审阅和资金支持；传秀云：提供资源支持。