随着对环保和高效储能设备需求的不断增长，人们开始探索可持续的电极材料。与传统碳材料相比，生物质衍生的多孔碳材料因其超级电容器应用优势而脱颖而出，这些优势包括天然可获得性、成本效益、低孔隙率的碳超结构、易于结构修饰以及含有杂原子。本综述重点介绍了生物质衍生多孔碳电极的合成和结构性能，并强调了其电化学功能及实际应用中面临的挑战。最新研究表明，这类电极具有显著的电化学性能：比电容超过300 F/g，能量密度达到60 Wh/kg（在非对称配置下），并且循环稳定性优异（经过10,000次循环后仍保持90%以上）。然而，这些进展也受到一些关键问题的制约，如原料一致性、化学活化过程中的环境问题、有限的可扩展性、缺乏测量标准以及性能评估基准。本文详细分析了这些不足，并提出通过绿色材料合成、环保的机器学习设计以及提升材料生命周期的可持续性来进一步改善性能。
由于对可持续能源创新的日益需求、可再生能源使用的激增以及交通和消费设备电气化的推进，全球能源格局正在发生显著变化[1],[2]。太阳能和风能资源的季节性和日变化特性使得它们的利用具有间歇性，因此需要有效的储能解决方案来确保可靠的电力供应[3]。在这方面，电池和超级电容器等储能技术的进步尤为显著。超级电容器（也称为电化学电容器或超级电容）与其他储能系统相比，具有卓越的功率密度、长循环寿命和快速充放电速率等优点[4]。与电池中的法拉第氧化还原反应不同，超级电容器主要通过电极-电解质界面处的电荷静电积累来储存能量，从而提供更好的循环稳定性和出色的功率性能[5]。这些独特特性使得超级电容器成为混合能源系统、再生制动和短时能量备份应用的理想选择[6]。然而，其能量密度仍是一个主要挑战[7]。因此，研究人员正在深入研究电极材料，以优化其表面积、导电性及孔结构，因为这些因素极大地影响了超级电容器的储能能力[8]。其中，尤其是由生物质制成的碳材料具有很大的潜力，因为它们具有可调的结构特性和环保性质。
超级电容器兼具电池和电容器的优点：其功率密度可达到10 kW/kg，能量密度可达10 Wh/kg[4]。超级电容器可进行超过一百万次充放电循环而几乎没有容量损失，非常适合电动汽车、太空技术、不间断电源（UPS）的备用电源、电网平衡、可穿戴电子设备等需要快速高能量释放的应用[4]。功能性超级电容器可分为两类：电双层电容器（EDLC）是通过非法拉第反应储存电荷的装置；而赝电容器则通过表面或近表面氧化还原反应储存电荷[9]。大多数用于EDLC的材料基于碳，因为碳具有高表面积和良好的导电性；赝电容器则由过渡金属氧化物或导电聚合物组成。尽管如此，活性炭、碳纳米管和石墨烯在合成成本、环境影响和可扩展性方面仍存在挑战[10]。因此，人们越来越关注由生物质多孔碳制成的超级电容器电极，因为它们更具成本效益、环保性和可持续性。
超级电容器的性能在很大程度上取决于电极材料的物理化学性质。理想的电极材料应具备以下特点：高导电性、较大的比表面积（尤其是具有层次结构的微-介观-宏观孔隙）、良好的化学稳定性以及与电解质的兼容性[11]。基于碳的材料在很大程度上符合这些要求，这也是它们在超级电容器电极商业市场中占据主导地位的原因。特别是多孔碳材料，因其结构多样性、低密度和可调的表面化学性质而备受青睐[12]。它们能够在电极/电解质界面形成稳定的双电层，并且孔径分布可调，非常适合快速储能[13]。表面功能化（如杂原子掺杂）也能提高性能，从而增加比电容[14]。碳材料的高性能使其成为研究重点，因为它们提供了一种廉价且毒性较低的碳电极制备方法，尤其是生物质衍生的碳材料更具环保性。由于生物质前体的结构特性和可再生性，调整碳的结构和功能对于超级电容器来说更为容易。
生物质是一种可再生且富含碳的材料，来源于农业和林业废弃物、水生生物甚至某些动物产品，但目前尚未得到充分利用[16]。其广泛的可用性、低成本和低环境影响使其成为合成可持续材料的理想候选材料。生物质由纤维素、半纤维素和木质素组成，可通过热解或水热处理转化为碳质材料[17]。由于其层次化的多孔结构，生物质可作为碳合成的模板，生成具有高表面积和相互连接的通道的多孔碳，这有助于电解质的快速传输和离子在电化学循环中的移动。此外，生物质前体中存在的氮、硫、磷或氧等杂原子可以在碳化过程中实现原位掺杂，从而提高碳材料的导电性和电化学性能[18]。不同类型的生物质（如锥壳、香蕉皮、木屑、甘蔗渣甚至人类头发）已被转化为先进的碳材料[19]。通过改变活化剂、碳化温度、时间甚至处理过程持续时间，可以调整所生成碳的物理化学性质。
现有文献记录了将生物质转化为用于储能的多孔碳材料的方法。然而，要实现实际应用，需要深入分析这些材料在超级电容器系统中的性能，识别主要障碍，并为未来的研究指明方向[20]。本综述对用于超级电容器的生物质衍生多孔碳的最新进展进行了系统评估，内容包括：
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生物质来源和碳化策略的比较评估。
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孔结构、表面积、杂原子掺杂等因素对电化学性能的影响。
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结构-性质-性能关系的深入研究。
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与原料变异性、可重复性、可扩展性和地理战略限制相关的问题。
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环境和经济影响的生命周期分析。
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与赝电容器复合、柔性超级电容器和人工智能辅助材料设计等创新进展。
解决这些关键问题并总结该领域的重大成果将激励研究人员和行业利益相关者[21]。本综述旨在促进下一代生物质衍生碳电极的合理设计，目标是在实现高电化学性能的同时，尽量减少环境影响和经济成本。
超级电容器分类：电双层电容器与赝电容器
超级电容器（通常称为电化学电容器）根据储能方式分为三大类：
生物质资源概述
生物质是指来自生物体的所有有机成分，可用作可再生能源或碳生产的原料[40]。它是丰富的资源，可通过农业、林业、水产养殖等各种行业以及城市固体废物获得，价格低廉且整体上碳中和，使其成为理想的能源来源。
生物质衍生多孔碳的合成方法
本综述重点介绍了主要的合成方法：活化、模板化、水热处理、热解、掺杂和表面改性，特别关注了方法论、结构控制以及材料的电容性能。
结构-性能关系
理解生物质衍生多孔碳的电子和化学特性与其作为超级电容器电极的电化学性能之间的复杂关联对于其优化至关重要。本节系统分析了材料的结构特性，包括孔结构、表面积、导电性、润湿性、掺杂等因素，并探讨了它们之间的联系。
生物质衍生碳在超级电容器中的应用效率
只有当生物质衍生多孔碳表现出合适的电化学行为时，其在超级电容器中的应用才具有实际意义。图4展示了通过环保合成方法制备的用于超级电容器的生物质衍生活性炭。这种行为取决于材料的结构、表面化学性质和电池配置。对测试方法、性能指标和设计的详细评估至关重要。
近期研究的批判性评估
使用KOH和KHCO3活化生物质衍生多孔碳方面取得了显著进展。Guo等人详细讨论了KOH和KHCO3的活化优势，但指出了它们在环境和可扩展性方面的局限性[61]。通过KOH活化获得的微观多孔碳具有约2,300 m2/g的超高BET表面积，但这些紧密排列的微孔可能会限制其性能。
挑战与未来前景
尽管研究人员在生物质衍生多孔碳用于超级电容器技术方面取得了显著进展，但仍存在许多科学和工程问题限制了其更广泛的应用。生物质原料组成的多样性是一个根本性问题，不同来源的生物质在木质纤维素成分、灰分含量和天然掺杂物方面存在差异，这些差异受地理位置和时间的影响。
结论
来自生物资源的生物质衍生多孔碳材料作为超级电容器的电极具有环境优势和经济效益，是一种高性能的选择。得益于在合成方法、孔结构优化、表面化学修饰和电化学性能提升方面的研究，生物质原料的电化学性质得到了显著改善。
CRediT作者贡献声明
Sreelatha K：资源管理、软件使用、数据验证。
Anuja Sudarsanan：概念设计、数据整理、正式分析、实验设计、方法论研究。
Gopika M G：概念设计、数据整理、正式分析、资金筹集、实验设计、初稿撰写、审稿与编辑。
Beena Saraswathyamma：项目管理、监督、数据验证、结果可视化。
数据可用性声明
数据可应要求提供。
利益冲突声明
所有作者声明，与本文的发表无关任何潜在的利益冲突。
致谢
作者感谢Amrita Vishwa Vidyapeetham（阿姆利塔普里校区）和俄勒冈州立大学化学系提供的所有支持和基础设施。
