近日，华中农业大学工学院牛文娟副教授研究团队在废弃竹材高值化转化领域取得新进展。团队提出一种整合生物预处理、化学活化与空气氧化的“纳米构筑”策略，将自然降解的废弃竹材转化为具有分级孔结构的多孔碳电极材料，并用于锌离子混合超级电容器。
随着可再生能源存储需求日益增长，超级电容器凭借高功率密度和长循环寿命受到广泛关注。然而，其能量密度相对较低，在同时需要高能量与高功率的应用场景中受到明显制约。竹材生长迅速、分布广泛，是制备多孔碳材料的理想前驱体；但竹材本身结构致密、孔隙不发达，直接炭化所得材料电化学性能有限。此外，目前多孔活性炭的制备多依赖高温条件和过量化学药剂，存在能耗高、环境污染等问题。
针对上述挑战，研究团队采用“纳米构筑”协同策略，将生物预处理、化学活化与空气氧化有机结合，系统调控竹基多孔碳的多尺度结构与表面化学性质。
制备路线分为三个环节。首先，利用微生物对竹材进行为期40天的生物预处理，温和降解木质纤维素，形成初始孔隙与结构缺陷，为后续活化提供“天然模板”。随后，以三聚氰胺、磷酸、碳酸氢钾和氯化锌为活化剂，在600℃下进行化学活化，构建发达的孔隙结构。最后，在350℃下进行空气氧化，引入丰富的含氧官能团，改善材料表面润湿性。三种处理中，以氯化锌活化的样品(PAC-Zn)结构调控效果最为显著。
系统表征结果表明，生物预处理显著改变了竹材的多尺度结构：平均孔径由原始竹炭(PC-R)的1.09nm提升至生物预处理竹炭(PC-B)的3.18nm，说明微生物促进了介孔与大孔的形成；同时，生物预处理增强了材料表面异质性并降低了结晶度，为后续活化刻蚀连通孔隙提供了成核位点。在此基础上，氯化锌活化进一步构筑了发达孔隙。PAC-Zn具有最高的比表面积(902.66m²·g⁻¹)和总孔体积(0.48cm³·g⁻¹)，并通过脱水、脱氧反应获得最高的氧含量(28.95wt%)。随后的空气氧化在350℃下引入丰富含氧官能团，改善了表面润湿性，为赝电容反应提供更多活性位点，从而提升了材料在水系电解液中的电化学性能。
在2M ZnSO₄水系电解液的锌离子混合超级电容器中，PAC-Zn在0.5A·g⁻¹电流密度下比电容达245.03F·g⁻¹，在20A·g⁻¹下仍保持96.08F·g⁻¹；能量密度在功率密度417.15 W·kg⁻¹下达87.12Wh·kg⁻¹，在约33 848.68W·kg⁻¹的高功率下仍保持34.16Wh·kg⁻¹。器件在10A·g⁻¹下循环5000次后容量保持率达87.19%，库仑效率接近100%，并可驱动额定电压2 V的LED灯持续照明约30分钟。英文摘要还补充了三电极体系与对称器件测试结果：PAC-Zn在三电极测试中于1A·g⁻¹下比电容为310.91F·g⁻¹，组装的对称超级电容器在225.41kW·kg⁻¹功率密度下能量密度为12.63Wh·kg⁻¹。
为阐明结构与性能的内在关联，研究团队借助分子动力学模拟分析了分级孔结构对离子传输与电化学性能的影响。模拟结果显示，ZnSO₄离子在介孔中的占据率(93.27%)显著高于微孔(57.95%)，证实分级孔结构——尤其是作为“离子传输通道”的介孔——能够直接提升离子可及性与电荷转移动力学，从而在机理层面建立起孔工程与电化学性能之间的关联。
上述结果表明，通过“纳米构筑”策略协同整合生物预处理、化学活化与空气氧化，可有效调控竹基多孔碳的分级孔结构与表面化学性质。该工作为废弃及自然降解生物质转化为高性能储能电极材料提供了可行路径，对发展可再生、可持续储能系统具有参考意义。
论文共同第一作者为华中农业大学工学院2022级研究生宋涛、2020级研究生邓继猛，通讯作者为牛文娟副教授，曹红亮教授、王卓超硕士为合作作者，华中农业大学为第一完成单位。该研究得到湖北省自然科学基金、武汉市自然科学基金及农业农村部重点实验室的支持。
相关成果以《High-Performance Supercapacitor Electrodes Obtained from Biodeteriorated Bamboo Porous Carbon Activated by Nanoarchitectonics Through Chemical Activation and Air Oxidation》为题，在国际期刊《Bioresource Technology》上发表。
资料参考来源：南湖新闻网
作者：羊舌木
