摘要：活性炭凭借优异的结构稳定性与合适的孔隙结构成为超级电容器首选的电极材料。目前，制备活性炭的生物质原料具有来源丰富、经济、环保与可再生的优点。椰子壳作为一种低成本的壳类废弃物，主要由53.06%的纤维素，36.51%的木质素与29.27%的戊聚糖组成。其中，木质
活性炭凭借优异的结构稳定性与合适的孔隙结构成为超级电容器首选的电极材料。目前，制备活性炭的生物质原料具有来源丰富、经济、环保与可再生的优点。椰子壳作为一种低成本的壳类废弃物，主要由53.06%的纤维素，36.51%的木质素与29.27%的戊聚糖组成。其中，木质素是一种三维网状生物质高分子，丰富的交联结构赋予椰子壳优异的物理性质与结构稳定性。众所周知，高机械强度的原材料有助于制备孔径分布均匀的炭材料，提高离子的吸附与存储能力。但大多数纤维素占比高的生物质材料通常表现出柔软的特性，导致制备的炭材料难以实现孔径的精准调控。因此，开发一种简单温和的策略来有效提高柔软生物质材料的机械强度与密度对于制备高稳定多孔炭具有十分重要的意义。
为了解决这一问题，西南交通大学杨维清团队提出了一种分子间致密氢键网络的分子重构策略，有效提高了苎麻前驱体的机械强度与密度。亚临界水分子凭借较强的的溶解与推动作用，可有效去除生物质原材料中的有机组分，并实现水分子的预嵌入。在机械研磨作用下，苎麻的天然有序结构被破坏，导致其结晶度与有序度降低。在毛细蒸发过程中，纤维素链上的丰富羟基可形成强的氢键网络，减少原材料内部的孔隙，提高苎麻前驱体的热稳定性与化学稳定性。该无序苎麻前驱体有效提升了炭骨架的抗腐蚀能力。该工作制备的高稳定多孔苎麻炭基超级电容器表现出高的功率密度（47.94 kW kg−1）与高的能量密度（28.11 Wh kg−1），明显优于商业活性炭基超级电容器（40.86 kW kg−1与12.67 Wh kg−1）。该研究以题为“Three-dimensionally Molecular-reconstructed disordered precursor toward highly stable porous ramie carbon”的论文发表在《Advanced Materials》上。图1展现出三维无序苎麻前驱体的分子重构过程。天然苎麻呈现出有序的纤维状结构，水分子的预嵌入虽然可以进入到天然苎麻的内部间隙，但无法破坏其有序结构。在机械研磨过程中，预嵌入苎麻内部的水分子可减少纤维之间的摩擦，有利于形成更小的颗粒与更无序的结构。从微观角度分析，纤维素分子链的结构也从长程有序变得无序，形成致密的三维氢键网络。经过水分子的不断蒸发，无序苎麻前驱体在氢键的作用下不断的收缩堆积，形成高机械强度与高致密的苎麻前驱体。三点弯曲方法可用于研究材料抵抗弯曲载荷的能力。在弯曲试验过程中，苎麻前驱体的存储模量随着振动频率的增加不断提高，并没有出现明显的裂缝。当苎麻前驱体的储存模量增加到3422 MPa时，对应的损耗模量仅为184 MPa，表明其具有优异的机械强度与抗变形能力。此外，损耗因子随频率的变化也可说明苎麻前驱体是一种优异的刚性材料。苎麻前驱体呈现出表面粗糙无序的网状结构，有利于提升其低温碳化效率，获得一致性强的碳化料。
图1 分子重构策略有效制备三维无序苎麻前驱体。
图2 重构苎麻碳化前驱体的制备及物理特性。
图3 高稳定多孔苎麻炭的物理特性。
图4 高稳定多孔苎麻炭基超级电容器的电化学性能。
图5 高稳定多孔苎麻炭基超级电容器的离子传输机制。
图6 不同工作电压下离子输运的动力学机制。
图7 高稳定多孔苎麻炭基软包超级电容器的电化学性能。
小结：高稳定多孔苎麻炭表现出优异的电化学性能，主要归因于无序苎麻前驱体具有高机械强度和高密度。首先，在损耗模量为184 MPa的条件下，无序苎麻前驱体的存储模量高达3422 MPa，证明其具有优异的机械强度与抗变形能力。另外，改变分子重构策略可应用于其它软质生物质材料的结构改性，解决多孔炭骨架稳定性差与孔隙结构不稳定的问题。其次，高机械强度的三维网络有助于改善碳化过程中传热效率与反应效率，并有效提升了炭骨架的抗腐蚀能力。无序苎麻碳化前驱体表现出较低的H/C与O/C比，证明其具有高的纯度与优异的热稳定性。另外，该碳化前驱体展现出高达58.21 m2−1的比表面积与0.039 cm3−1的有效孔隙体积，有助于提供丰富的活性位点来增强与活化剂的反应特性。最后，得益于高稳定多孔苎麻炭的结构稳定性，超级电容器在1 A g−1的电流密度下表现出高达39.35 F g−1的质量比电容，兼具高的功率密度（47.94 kW kg−1−1）。另外，经过15000次充放电循环后，该超级电容器的容量保持率仍高达88.67%，说明其具有长期的循环稳定性。团队介绍：
杨维清，西南交通大学前沿科学研究院院长，从事能源信息材料与器件研究，在Nature，Chem. Soc. Rev., Adv. Mater，ACS Nano，Nano Lett，Adv. Funct. Mater.，等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计300余篇，入选Elsevier高被引学者、Stanford-Elsevier全球全领域2%Top科学家；长期担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家；科技成果转化专利30余项，转化经费3000余万元；担任中国超级电容器产业联盟副秘书长；获得教育部创新团队、省“青年科技创新研究团队”、省杰出青年基金、省“QR计划”创新人才。所做工作被美国国家自然基金委（NSF)、Newscientist，CCTV等近20家媒体专题报道。
参考文献：
Q. Wang, Y. Qu, Y. Yuan, Z. Chen, G. Feng, P. Dong, X. Jiao, Y. Zou, W. Yang, 3D Molecular-Reconstructed Disordered Precursor Toward Highly Stable Porous Ramie Carbon. Adv. Mater. 2025, 2418997.
来源：高分子科学前沿