Lignin-derived hierarchical porous carbon prepared using cellulose nanofibrils as templates for high-performance supercapacitors

Pengfei Wang, Linghua Xu, Xuefei Cao*, Shaoni Sun*

全球每年产生大量工业木质素副产物，其中造纸预水解液提取的木质素因纯度较高、灰分低而具备应用潜力。然而，木质素在传统热化学活化过程中易形成无序孔结构，微孔与介孔比例难以调控，限制了其在储能领域的性能发挥。当前，模板法是构建分级多孔结构的重要手段，但传统硬模板法和软模板法成本高昂且过程复杂。因此，开发一种简便、经济且环境友好的生物质模板策略，实现对木质素基炭材料孔结构的精确调控，仍是领域内的一大挑战。纤维素纳米纤维（CNF）是一种直径5–50 nm、长度可达数微米的天然纳米材料，其直径恰好落在介孔尺度范围，且热解后残炭率低，具备作为介孔模板的独特优势。然而，CNF能否在与木质素共碳化过程中有效诱导介孔形成，并与化学活化剂协同构建微孔-介孔分级结构，尚缺乏系统研究。

围绕以上科学问题，北京林业大学曹学飞副教授与孙少妮教授团队于Green Carbon发表题为“Lignin-derived hierarchical porous carbon prepared using cellulose nanofibrils as templates for high-performance supercapacitors”研究论文，研究了以CNF为介孔模板、预水解木质素为炭前驱体、KOH为活化剂，制备木质素基分级多孔炭材料的新策略，揭示了CNF模板在调控介孔结构进而提升超级电容器性能中的关键作用。

研究团队利用CNF（平均直径约29.4 nm）作为可去除的介孔模板，将其与预水解木质素均匀混合后共同碳化。热重分析表明，在碳化过程中，CNF在约350 ℃迅速降解，残炭率仅为11.4%，而在相同条件下木质素的残炭率高达61.5%。这一差异特性使得CNF在碳化过程中能够有效除去，在炭材料中留下与CNF模板直径匹配的介孔孔道（约20 nm）（图1）。

图1. CNF的形貌、直径分布以及分级多孔炭材料制备流程

为系统考察CNF模板与KOH活化剂的协同作用，研究团队制备了一系列不同配比的炭材料。透射电镜和扫描电镜显示（图2）：不含CNF的样品表面相对光滑，介孔极少；而添加CNF后，样品中出现了清晰的介孔结构，且随着CNF用量增加，介孔更加明显。但过量CNF会导致缠绕聚集，反而降低比表面积。另一方面，KOH活化主要产生大量微孔（约0.6 nm）及部分小介孔（约4 nm）。当CNF模板与适量KOH共同作用时，材料形成了兼具微孔、小介孔（4 nm）和大介孔（约20 nm）的分级多孔结构。氮气吸附-脱附测试表明，优化后的样品（CLK₁₀₀C₀）比表面积高达1316.7 m²/g，总孔容达0.935 cm³/g，远优于无CNF模板对照样（CLK₁₀₀C₀）。

在三电极测试体系中，优化后的多孔炭材料电极（CLK₁₀₀C₁₀）在0.5 A/g电流密度下比电容达到228.6 F/g，远高于未添加CNF模板的CLK₁₀₀C₀样品。即使电流密度提升至20 A/g，其电容保持率仍高达68.1%，而CLK₁₀₀C₀仅能保持约21.4%（图3）。这种优异的倍率性能得益于分级孔结构提供的快速离子传输能力。此外，与已报道的木质素衍生炭材料相比，CLK₁₀₀C₁₀的比电容展现出明显的竞争力。

团队进一步组装了以CLK₁₀₀C₁₀为电极材料的对称超级电容器器件。该器件能在0–1.2 V电压窗口下稳定工作，在0.5 A/g电流密度下比电容达193.7 F/g。在功率密度为300W·kg⁻¹时，能量密度高达9.68 Wh·kg⁻¹。此外，经过10000次充放电循环后，器件的电容保持率仍高达93.3%，库仑效率接近100%。该器件同时能够驱动LED灯及计算器等小型电子设备，展现出良好的实际应用潜力（图4）。

本研究提出了一种以CNF为介孔模板、木质素为炭前驱体、KOH为活化剂的生物质模板策略，成功制备了木质素衍生分级多孔炭材料。CNF模板与KOH活化的协同作用实现了微孔与介孔比例的精确调控。优化后的炭材料电极在比电容、倍率性能和循环稳定性方面均表现优异。该工作不仅为木质素高值化利用开辟了新路径，也为设计与制备生物质基高性能储能电极材料提供了简便、绿色的技术方案。

曹学飞，北京林业大学副教授，硕士生导师，材料科学与技术学院新能源与造纸系系主任。主要从事纤维素利用方面的应用基础研究，特别是在纤维素改性、溶解浆、纳米纤维素利用等领域取得了一定的研究成果：（1）针对烟用滤棒材料“卡脖子”问题，率先提出以表面改性纤维素纤维替代传统烟用醋纤的新思路，开发了实现烟用滤棒完全国产化的方法；（2）突破了传统纳米纤维素表面酯化需要在无水有机溶剂中进行的瓶颈，首次实现了表面酯化纳米纤维素的常温水相快速制备；（3）首创了常温连续浸渍赋予纤维素纤维长效抑菌性的方法。主持各类科研项目10项，发表SCI论文90余篇，获授权发明专利18件，国际PCT专利申请2件。曾获教育部科学技术一等奖、梁希林业自然科学二等奖等奖励。

孙少妮，北京林业大学教授，博士生导师。主要从事生物质组分清洁高效拆解及全组分高值化利用研究。主持国家自然科学基金青年项目、面上项目、国家重点研发计划子课题等科研项目10项。相关科研成果在Carbohyd. Polym.、Green Chem.、Chem. Eng. J.、Bioresour. Technol.等本领域国际期刊发表SCI收录论文100余篇，论文被引8000余次，h指数48，连续四年（2021-2024年）入选全球前2%顶尖科学家榜单，受邀参编中英文专著4部，授权中国发明专利13件。现为期刊Green Carbon、Renewable and Sustainable Energy、世界竹藤通讯青年编委。入选2024年北京林业大学“北林学者”青年拔尖人才；研究成果获梁希林业自然科学二等奖、教育部科技进步一等奖、教育部自然科学二等奖励。

论文信息：

Pengfei Wang, Linghua Xu, Xuefei Cao and Shaoni Sun. Lignin-derived hierarchical porous carbon prepared using cellulose nanofibrils as templates for high-performance supercapacitors[J]. Green Carbon, 2026.

论文网址： 

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.12.003

论文下载：

中文解读链接：

Green Carbon文章丨纳米纤维素模板法制备分级多孔炭

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