基于狗尾草茎秆衍生多孔碳的高性能柔性超级电容器研究

本研究创新性地利用狗尾草茎秆（Setaria viridis）制备多孔碳材料（SVS），通过KOH活化（800-1000oC）构建了具有分级孔隙的电极，在PVA/H2SO4凝胶电解质中实现690 F g-1比电容（2 mV s-1）和89%循环稳定性（10,000次），为可穿戴设备提供了兼具环境友好与机械柔性的储能解决方案。

　　

Highlight

可再生生物质废弃物作为柔性超级电容器（SC）的活性碳源是当前研究热点。本研究通过碳化和KOH活化（800^oC/900^oC/1000^oC）合成狗尾草茎基活性碳（SVS），其电极在1 M H₂SO₄电解液中展现248 F g^-1比电容（2 mV s^-1）。采用PVA/H₂SO₄聚合物凝胶组装的柔性器件更实现690 F g^-1电容值、89%循环保持率（10,000次）和8.28 Wh kg^-1能量密度，且在弯曲/扭曲等严苛条件下仍保持优异电化学性能。

Introduction

柔性高性能储能器件是满足可穿戴电子、智能传感器需求的迫切选择。超级电容器（SC）因快速充放电、高功率密度和长寿命备受关注，但传统电极材料存在成本高、毒性及柔性适配性问题。生物质衍生多孔碳材料凭借可持续性、可调孔结构和低成本优势成为理想解决方案。狗尾草茎秆独特的空心管状维管束结构，为构建3D互联碳骨架提供了天然模板。

Results and discussion

SEM显示狗尾草茎秆原始材料呈空心管状（壁厚200-350 μm），碳化后保留维管束结构并暴露均匀大孔（图2D-E）。SVS-900材料因优化活化温度形成分级孔隙，其比表面积达1,890 m² g^-1，促进离子传输与机械稳定性。

Conclusion

本研究通过狗尾草茎秆碳化-KOH活化策略，开发出具有分级孔隙的SVS-900材料。其柔性器件在弯曲/扭曲状态下仍保持高性能，为下一代电子设备提供了可持续储能方案。