综述：木质素基超级电容器电极材料的研究进展：制备、性能与挑战

（编辑推荐）本综述系统阐述了木质素基多孔碳在超级电容器电极材料领域的优势：高碳含量（22%产率）、优异比表面积（1770 m2 g?1）和独特赝电容特性（氧含量>30%）。通过对比纤维素/壳聚糖基材料，突出其高能量密度（66.18 Wh kg?1）和循环稳定性（10,000次容量保持率96.7%），为可再生电极材料开发提供新思路。

　　

木质素基超级电容器电极材料：绿色能源存储的新星

Abstract

21世纪便携式电子产品蓬勃发展，兼具高功率密度、长循环寿命和快速充放电能力的超级电容器（supercapacitor）成为研究热点。木质素基多孔碳凭借环境友好性和含氧基团提供的额外赝电容（pseudocapacitance），在电极材料领域大放异彩。本文将从制备方法、性能优化策略到当前挑战，全面解析这一绿色材料的崛起之路。

Introduction

超级电容器通过电极-电解质界面的离子吸附（EDLC机制）或氧化还原反应（PC机制）储能。相比电池，其功率密度可达10 kW kg^?1以上，循环寿命超10万次。但传统电极材料依赖不可再生的煤/石油资源，而造纸工业副产物木质素年产量超5000万吨，却多被废弃。这种天然芳香聚合物含H/G/S三种苯丙烷单元，碳化时自发形成丰富孔隙（如CO₂逸出造孔），比表面积轻松突破1700 m² g^?1。

性能碾压竞品

• 碳产率：木质素（22%）>纤维素（17%）>壳聚糖（10-18%）

• 导电性：木质素碳阻抗0.34 Ω，优于纤维素碳（需额外石墨化）

• 比电容：细菌改性木质素碳达428F g^?1（1A g^?1），是壳聚糖/氧化石墨烯复合物的3倍

• 循环寿命：10,000次循环后容量保持率96.7%，远超壳聚糖基材料（缺乏5000次以上数据）

天然前驱体优势

甘蔗渣衍生的分级多孔碳（BHPC-4）展现3135 m² g^?1超高比表面积，丁香基多孔碳（LPC-600）比电容达524F g^?1——这些天然原料的自掺杂氮/氧原子，省去外源掺杂步骤，成本降低30%。

Section snippets

制备方法

• 直接碳化：玉米芯900°C碳化得1591.8 m² g^?1多孔碳

• 模板法：SiO₂模板造孔但工艺复杂

• 闪速焦耳加热：秒级完成碳化，能耗降低80%

性能优化

KOH活化仍是王牌手段，但腐蚀性强。新开发的细菌预处理技术，通过酶解定向断裂β-O-4键，使碳材料石墨化度提升200%。

Challenges

当前最大痛点在于木质素来源差异导致性能波动。开发通用制备工艺，实现秸秆/木屑等混合处理，将是产业化破局关键。