研究背景

随着可再生能源并网储能、便携式储能与新能源动力电池产业快速发展，电化学储能器件正朝着低成本、长循环、高功率密度的方向发展。锂资源储量稀缺、开采成本居高不下，同时锂基电容器存在固有安全隐患，而现有石墨、硬碳负极难以同步实现钠离子快速迁移动力学与电极结构长效稳定，极大制约了储能体系发展。生物质基多孔炭凭借原料储量充沛、绿色可再生、天然生物骨架及本征杂原子官能团等优势，成为钠离子电容器负极极具潜力的候选材料。但传统制备依赖高温炭化，不仅能耗成本高，还存在分级孔道结构难以精准调控、原生杂原子大量热解逸出、表面活性位点不足等短板。因此，开发低温简易合成路线，同步实现生物质炭分级多孔骨架可控构筑与多杂原子共掺杂、表面理化性能调控，协同提升材料可逆储钠容量与全器件长循环稳定性，是钠离子电容器领域亟需攻克的核心技术难题。

工作简介

针对上述钠离子电容器负极动力学迟缓、循环过程电极结构易坍塌、生物质碳合成能耗高且杂原子掺杂可控性差等问题，本研究提出了以灵芝孢子为生物质前驱体、分步处理构建富杂原子分级多孔炭的材料体系，通过水热预处理（180 ℃恒温24 h）、低温炭化（650 ℃恒温2 h）以及浓酸酸化实现杂原子掺杂，摒弃传统高温活化高能耗流程，大幅降低碳材料制备能耗与合成门槛。灵芝孢子水热分解甲壳素多糖基体生成多级连通孔道，原位氮元素与酸引入N/S/P/Cl杂原子协同构筑缺陷丰富的碳骨架，实现分级孔道加速离子扩散与杂原子活性位点强化钠离子吸附的协同储钠机制。系统探究硝酸、硫酸、磷酸、盐酸4种酸处理对孢子炭材料微观孔结构、层间距及杂原子掺杂类型的调控机制，以及对钠离子循环稳定性的影响规律。

核心图文解析

图1. 制备流程示意图：灵芝孢子原料→水热预处理→低温炭化→酸功能化处理→组装全钠离子电容器

图2. 系列样品微观形貌与碳结构分析：原始灵芝孢子呈均一椭球状颗粒，表面褶皱密布；经水热、炭化后逐步构筑多级孔道结构、大幅提升比表面积（可达292 m² g^-1左右），不同酸的处理会调控碳层间距与缺陷密度，硝酸处理的样品兼具适宜层间距与高缺陷度，更利于钠离子嵌脱。

图3. 杂原子掺杂碳材料的表面元素化学：GLSHC-HNO₃氮元素含量最高(可达6.39 at.%)，源于硝酸强氧化刻蚀引入大量硝基与吡啶氮活性位点；不同酸处理可以掺杂S、P、Cl杂原子，硫酸处理样品引入磺酸基团提升电解液润湿性，磷酸处理样品生成磷酸酯键可抑制碳骨架体积膨胀。

图4. 不同杂原子掺杂碳的钠离子吸附理论特性：GLSHC-HNO₃钠离子吸附能最低(可达-4.957 eV)，源于高含量氮氧极性基团强化碳钠间静电配位作用；不同酸处理会调控材料功函数与界面电子转移量，硫酸、磷酸处理样品吸附能小幅降低，盐酸处理样品电子转移效率最弱。

图5. HRPC负极储钠电化学性能：GLSHC-HNO₃倍率容量最优(50 mA g^-1下可达446.1 mAh g^-1)，源于多级孔道与丰富杂原子位点协同加速电荷传输；不同酸处理会改变储钠动力学机制，硫酸处理以电容型储钠为主，硝酸处理则以离子扩散型储钠占主导。

图6. 钠离子电容器储能性能：分级多孔碳负极优化离子扩散通道，杂原子极性位点增强钠离子吸附，正负极界面协同实现快速电荷转移；高低功率区间下电容/扩散储钠机制协同储能。器件在290 W kg^-1功率密度下能量密度可达114.4 Wh kg^-1，5000次循环后容量保持率仍有84.3%。

结论

以灵芝孢子为生物质前驱体、聚苯胺基多孔炭为对电极材料，通过水热、低温炭化和酸功能化处理，摒弃传统超高温炭化流程，大幅降低合成能耗，所得富杂原子多孔炭比表面积稳定维持292 m² g^-1左右。孢子碳的不同类型酸处理是调控孔结构、杂原子成分与储钠性能的关键，硝酸修饰可提升氮氧掺杂含量、缩小碳层间距以加速电荷转移，硫酸、磷酸处理则拓宽层间距、构筑交联结构以优化长循环稳定性。在分级多孔骨架和杂原子掺杂的协同作用下，GLSHC-HNO₃负极在50 mA g^-1电流下可逆容量达446.1 mAh g^-1，匹配聚苯胺碳正极组装的全电容器在290 W kg^-1功率密度下实现114.4 Wh kg^-1高能量密度，其储钠机制以物理离子吸附与化学嵌脱协同作用为主。本研究为低成本、可持续生物质炭负极提供了绿色可放大制备路线，在大规模储能、便携式小型电子器件等低成本钠离子储能场景具备重要应用潜力。

文章信息

汪一鸣, 邱可柔, 余海东, 等. 孢子衍生异质原子调控多孔炭用于钠离子电容器[J]. 新型炭材料（中英文）, 2026, 41(4): 928-944.

WANG Y M, QIU K, YU H D, et al. Spore-derived porous carbon with tailored heteroatom doping for anode of sodium-ion capacitors[J]. New Carbon Materials, 2026, 41(4): 928-944.

doi: 10.1016/S1872-5805(26)61100-6.

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