咖啡渣衍生分级多孔超高比表面积活性炭的制备及其在超级电容器中的卓越性能研究

　　本研究针对超级电容器(SC)电极材料能量密度低、循环稳定性差的关键问题，以废弃咖啡渣(WCG)为原料，通过优化KOH活化参数成功制备出比表面积达3320 m2 g?1 的分级多孔活性碳(ACG)。该材料在6M KOH电解液中展现出350.4 F g?1 的高比电容和50,000次循环后94%的容量保持率，为生物质基高性能储能材料开发提供了新思路。

　　

随着移动电子设备和电动汽车的快速发展，能源存储系统面临能量密度与循环寿命的双重挑战。超级电容器(SC)因其高功率密度和超长循环寿命备受关注，但其能量密度远低于锂离子电池。其中，双电层电容器(EDLC)通过电极表面离子吸附储能，性能高度依赖碳材料的比表面积(SSA)和孔结构。全球每年产生约900万吨废弃咖啡渣(WCG)，其富含纤维素(30.2%)和木质素(12%)的特性使其成为制备多孔碳的理想原料。

台湾的研究团队通过两步法（预碳化+KOH活化）成功将WCG转化为具有分级孔结构的活性碳(ACG)。最优样品ACG4-900展现出创纪录的3320 m²
g^?1
比表面积和1.306 cm³
g^?1
微孔体积。在6M KOH电解液中，该材料不仅实现350.4 F g^?1
的高比电容（0.5 A g^?1
），更在5万次循环后保持94%容量，这项突破性成果发表于《Biomass and Bioenergy》。

关键技术包括：1) 不同KOH/前驱体比例(1:1-4:1)和温度(700-900°C)的参数优化；2) SEM/XRD/Raman多维度表征孔结构与石墨化程度；3) 三电极体系测试电化学性能；4) 使用台湾本地咖啡企业的WCG原料。

【结构表征】
SEM显示活化后样品呈现蜂窝状多孔结构（图1d-f），与碳化样品（图1a-c）的致密结构形成鲜明对比。XRD图谱（图2a）在24°和43°出现典型碳峰，表明非晶/石墨混合相。Raman光谱（图3）的ID/IG=0.93证实高度缺陷结构，有利于电荷存储。

【孔结构分析】
BET测试（图4）揭示ACG4-900具有3320 m²
g^?1
的SSA和1.82 cm³
g^?1
总孔体积，其中微孔(<2 nm)占比71.8%。这种"微孔储能+介孔(2-10 nm)传质"的协同效应是高性能的关键。

【电化学性能】
在6M KOH中，CV曲线（图5a）呈现理想矩形形状。GCD测试（图5b）显示0.5 A g^?1
下350.4 F g^?1
的比电容，10 A g^?1
时仍保持73%。EIS（图5c）显示0.39 Ω的低内阻。循环测试（图5d）5万次后容量衰减仅6%，优于多数报道的生物质碳材料。

该研究通过精准调控KOH活化参数，将废弃咖啡渣转化为性能媲美商业活性碳的电极材料。其创新点在于：1) 创纪录的3320 m²
g^?1
比表面积；2) 微/介孔协同优化策略；3) 验证了WCG在储能领域的应用潜力。这项工作不仅为生物质废物高值化利用提供范例，更为开发低成本、高性能超级电容器电极材料开辟了新途径。