咖啡渣"碳"索新篇！西安交大段培高团队阐释水热-活化协同策略，实现生物质碳性能突破

第一作者：杜雨菡

通讯作者：段培高*，曹长青*

单位：西安交通大学

近日，西安交通大学段培高教授团队在国际顶级期刊《Chemical Engineering Journal》发表研究，系统探讨了通过‌"水热-活化"策略‌，将废弃咖啡渣转化为‌N/O共掺杂分级多孔碳（ACG-X）‌，成功实现了高比表面积与高活性位点的协同优化，从而获得了显著提升的电化学性能！

1. ‌骨架搭建‌：通过水热碳化工艺，将咖啡渣中的生物质大分子转化为‌稳定的芳香碳骨架‌，为后续活化奠定基础。
2. ‌功能定向‌：巧妙利用咖啡渣天然含有的氮、氧元素，将其转化为‌高活性的C=O键和吡咯氮（N-5）官能团‌，赋予材料显著赝电容能力。
3. ‌孔隙协同‌：通过KOH活化精准构建‌微孔-介孔-大孔‌三级孔道，实现"储能位点-离子高速路-电解液仓库"的高效协同。

• ‌比表面积‌：2473.15 m²·g⁻¹，远超传统活性炭。
• ‌电化学性能‌：在 0.5 A/g 的电流密度下，比电容高达 546.08 F/g；即便在 10 A/g 的高倍率下，仍能保持 407.35 F/g，展现优异的快速充放电能力。
• ‌能量密度‌：器件能量密度达到 16.48 Wh/kg，具备高端应用潜力。

本研究揭示，水热过程作为材料合成的初始环节，对其本征特性具有“基因”层面的调控作用。通过系统探究水热温度、时间及固液比等关键参数与最终产物结构特性之间的关联，研究证实这些参数共同决定了碳材料的微观结构与表面化学性质，进而直接影响其电化学性能。该过程突破了传统预碳化的局限，本质上是一种精准的“表面化学编辑”过程。

本研究通过多参数关联分析，揭示了高性能源于孔道结构、缺陷工程与表面化学的三元协同机制。研究证实，高比表面积与分级孔道结构为离子高效存储与传输提供了基础；材料的物理结构通过石墨化程度与缺陷密度的优化得以显著提升；而C=O与N-5官能团则通过可逆氧化还原反应贡献了显著的赝电容效应。三者的协同作用是其实现高比电容（546.08 F·g⁻¹）与优异倍率性能（74.6%保持率）的根本原因。

本研究成功将废弃咖啡渣转化为具有实用价值的电极材料，并组装成对称超级电容器。在6 M KOH电解液中，该器件实现了16.48 Wh·kg⁻¹的能量密度，且在15,000次循环后容量保持率高达81.19%。这一成果不仅验证了材料在实际器件中的可靠性，更确立了以咖啡渣为代表的生物质废弃物向高性能储能材料转化的可行技术路径，为生物质资源的高值化利用提供了新思路。

本工作的深层价值在于突破了对单一材料的优化局限，提炼出具有普适性的设计范式。该范式以“分级孔道构筑-缺陷结构调控-杂原子功能化”的多层次协同策略为核心，实现了对生物质碳材料的理性设计与精准调控。这一创新性范式不仅为开发下一代高性能、低成本的生物质衍生功能材料提供了坚实的理论基础，更为其产业化应用绘制了清晰的实践蓝图，对推动生物质资源的高值化利用具有重要指导意义。

Engineered N/O-doped hierarchical porous carbons from coffee grounds for high-performance supercapacitors

段培高教授简介：西安交通大学化学工程与技术学院教授、博士生导师、化工所长。入选国家重大人才工程青年学者、英国皇家化学会会士、教育部"新世纪优秀人才"等人才计划。作为国家重点研发计划首席科学家，主持国家重点研发计划、国家自然科学基金等国家级项目30余项。长期致力于生物质能源与废弃物高值化利用研究，在Nature Communications、Energy & Environmental Science、ACS Catalysis等高水平期刊发表SCI论文200余篇，被引用9860余次，授权发明专利24项。研究成果获日内瓦国际发明展金奖、河南省科技进步二等奖等多项奖励。

曹长青副教授简介：西安交通大学化学工程与技术学院副教授、博士生导师。长期致力于生物质、煤炭及有机废弃物的热化学转化与资源化利用研究。迄今发表学术论文55篇，出版学术专著1部，参撰专著2章，论文被引用2900余次，H因子32。主持国家自然科学基金青年基金、陕西省自然科学基金等多项科研项目，作为研究骨干参与国家重大研发计划、973计划、863计划等国家级重大项目。研究成果获陕西省科学技术奖一等奖，获授权国家发明专利2项。