第一作者：李焱玉
通讯作者：李尧 副研究员
通讯单位：金属基复合材料国家重点实验室，上海交通大学
论文DOI：10.1002/adfm.202403448
选用小麦秸秆作为前驱体制备生物质衍生分级多孔碳，通过芬顿化学预处理打开天然大分子纠缠链段，使得多孔碳的活化效率翻倍，构筑了孔径分布更加优化的分级多孔结构，实现了大电流（100 A g-1）下大容量长寿命储能。并通过分子动力学计算，揭示了该优化结构的高效传质机理。相较于传统活化方法，该制备方法KOH用量减半，容量提升28%（10 A g-1），实现了高性能超级电容器遗态多孔碳电极的绿色、高效制备。
双电层电容器（EDLCs）在功率密度和循环稳定性方面具有较大优势，是不可或缺的储能器件。多孔碳被广泛用于双电层电容器电极，其中，生物质因结构多样，来源广泛，是重要的多孔碳前驱体。然而，传统的生物质衍生多孔碳活化过程中大量消耗碱进行刻蚀，导致污染和高碳排放，因此在提高碱利用率的同时获得高性能电容碳至关重要。
1. 通过对生物质前驱体进行芬顿预处理，将大分子链氧化切断，使后处理活化效率提高一倍，制备高性能电容碳。
2. 多孔碳比表面积高达3440 m2 g-1，在电流密度为0.1 A g-1时比电容达到425.2 F g-1，在100 A g-1时比电容保持286.1 F g-1。组装好的超级电容器在6 M KOH电解液中经过20000次充放电循环后，仍能保持其初始电容的99.74%。
要点：前驱体选择小麦秸秆，利用铁离子和过氧化氢反应产生的羟基自由基对生物质进行氧化处理，使得生物质的主要组分纤维素、半纤维素和木质素的大分子结构断裂，初步形成孔隙结构，从而有利于后续碳化活化处理，提升活化效率（其中，定义活化效率为基于碱用量的电容值或比表面积）。
图2 原始小麦秸秆（a）、FeCl3预处理小麦秸秆（b）、H2O2预处理小麦秸秆（c）和Fe3+-H2O2（即芬顿化学）预处理小麦秸秆的光学照片。芬顿预处理前后小麦秸秆的氮气吸附-脱附等温线和孔径分布曲线（e）、FT-IR光谱（f）、XPS C1s 光谱（g）和XPS O 1s 光谱（h）。
要点：预处理后材料发生明显变化，结构被破坏，孔隙率提高一倍，官能团发生变化，证明了氧化反应的发生。
图3 原始小麦秸秆衍生碳（a）、FeCl3预处理小麦秸秆衍生碳（b）、H2O2预处理小麦秸秆衍生碳（c）和Fe3+-H2O2（即芬顿化学）预处理小麦秸秆衍生碳（FHWSAC-3）的SEM照片；FHWSAC-3(e-g)和原始小麦秸秆衍生碳（h）的TEM照片。
要点：从透射电镜照片可以看出芬顿预处理后材料的孔结构发生变化，介孔和微孔同时存在，而未经处理的多孔碳几乎没有介孔结构。
图4 秸秆衍生多孔碳的氮气吸附-脱附曲线（a），比表面积（b），孔径分布图（c），XRD图谱（d）和拉曼图谱（e）； FHWSAC-3的 XPS C1s 图谱（f）。
要点：芬顿预处理后，小麦秸秆衍生多孔碳（FHWSAC-3）的比表面积达到3440m2 g-1，介孔率约为34%，介孔尺寸在2至3 nm之间，而未经处理的多孔碳比表面积为1849 m2 g-1，介孔率小于10%，与透射电镜结果相吻合。该结果说明了芬顿预处理实现了更高效的活化过程，促进了材料孔结构的构建与发展。高的比表面提供了与电解质离子的接触面积，而足够的介孔又提供的离子快速传输通道，有利于提高超级电容器的综合性能。
要点：6 M KOH 三电极体系中，FHWSAC-3在电流密度为0.1 A g-1时比电容达到425.2 F g-1，在100 A g-1时比电容保持286.1 F g-1，循环20000圈后，容量保留98.39%。在电容、倍率以及循环稳定性上都有不错的表现。
图6 分子动力学模拟计算不同孔径结构中的电解液离子扩散系数
要点：以芬顿预处理前后的秸秆衍生多孔碳的孔结构建立模型（处理前：WSAC，处理后：FHWSAC-3），计算了6 M KOH体系中钾离子的扩散系数。在有2至3 nm介孔的模型中（FHWSAC-3），钾离子扩散系数是无介孔模型（WSAC）的20余倍，这证明了介孔对于离子传输的促进作用，也解释了FHWSAC-3高倍率性能的原因。
图7 组装FHWSAC-3// FHWSAC-3超级电容器的电化学性能。电解液为6 M KOH（a-e） 和1M TEABF4/AN（f-j）。
要点：评估了以FHWSAC-3为电极材料的器件的性能，在功率密度为135 W kg−1时，最高能量密度为42.1 Wh kg−1，在最高功率密度60750 W kg−1时，能量密度为30.7 Wh kg−1，循环20000圈后，器件的容量保持99.39%。
该工作展示了一种利用芬顿化学从小麦秸秆合成高性能多孔碳电极材料的简单有效的技术。与传统方法相比，这种方法能够形成理想的孔隙结构和高比表面积，并具有双倍的活化效率。基于芬顿化学的 Fe3+-H2O2预处理通过对纤维素、半纤维素和木质素的氧化在原始秸秆材料中诱导了额外的介孔。这些介孔在随后的炭化过程中促进了微孔和介孔的发展，以及提高了活化剂的活化效率。最终形成理想的分层多孔结构和 3440 m2 g−1的高比表面积。
该方法所制备的碳电极材料表现出优异的电化学性能，最高比电容达到 425.2 F g−1，并且在100 A g-1 的高电流密度下保留了286.1 F g-1，超过了EDLCs中使用的大多数生物质衍生碳电极的比电容。组装的对称超级电容器的最大能量密度为42.1 Wh kg−1。不管是电极还是器件，经过20000次循环后，容量保留超过98%，循环稳定性良好。此外，还通过分子动力学说明了孔隙结构对电化学性质的影响，进一步证明了芬顿预处理对于材料结构和性能的促进作用。
该研究提出了一种绿色、高效的纳米多孔结构预处理技术，可广泛应用于利用木质纤维素前驱体的多级多孔碳材料的合成。
Yanyu Li, Lifeng Ni, Jiayan Luo, Lulu Zhu, Xiaoxiao Zhang, Hongjie Li, Imran Zada, Jin Yu, Shenmin Zhu, Keryn Lian, Yao Li, Di Zhang. Fenton Reaction Doubled Biomass Carbon Activation Efficiency for High-Performance Supercapacitors.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202403448
张荻：中国科学院院士，现任上海交通大学讲席教授、金属基复合材料国家重点实验室主任。2023 年11月当选为中国科学院院士。1982年本科毕业于西安交通大学机械系，1985、1988年分别获日本大阪大学材料学硕士、博士学位，1988年迄今在上海交通大学任教。2001年入选教育部“长江学者奖励计划”特聘教授。长期从事金属基及构型化复合材料应用基础研究，在复合设计制备、形变加工、构效关系及构型化调控等方面做出了系统的创新性研究成果。在国内外学术期刊上发表SCI收录论文600余篇，SCI他引23000余次，出版中、英文学术专著3本。主持承担了国家863计划、973计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金重大等项目，授权中国发明专利90余项，制定金属基复合材料国家标准3项。基础研究指导和支撑应用研究，为我国多个重大工程创制了一系列的轻质高强金属基复合材料，成功应用于我国航天等高科技领域。获国家自然科学奖二等奖2项（均为第一完成人）、省部级一等奖4项（2项排1））。
李尧：上海交通大学材料科学与工程学院，副研究员/博导，上海市浦江人才。2015年博士毕业于上海交通大学材料学专业，随后留校。目前主要从事遗态多孔材料、新型碳基复合材料的设计制备以及其在能源环境领域的应用研究；以第一和通讯作者身份已发表SCI论文 40余篇，被引用3500余次，H因子33，主持国家自然基金项目、上海市自然科学基金、科委重点基础研究项目、省部级实验室开放课题、企业横向等项目。
欢迎关注我们，订阅更多最新消息
“邃瞳科学云”推出专业的自然科学直播服务啦！不仅直播团队专业，直播画面出色，而且传播渠道多，宣传效果佳。
“邃瞳科学云"平台正在收集、整理各类学术会议信息，欢迎学会、期刊、会议组织方择优在邃瞳平台上进行线上直播，希望藉此帮助广大科研人员跨越时空的限制，实现自由、畅通地交流互动。欢迎老师同学们提供会议信息（会有礼品赠送），学会、期刊、会议组织方商谈合作，均请联系王女士：18612651915（微信同）。
投稿、荐稿、爆料：Editor@scisight.cn
邃瞳科学云