随着对可持续能源技术需求的持续增长和便携式电子设备的迅速普及，研究人员投入了大量精力开发先进的电化学储能系统。为了适应从电网级能量缓冲到高功率输出设备等各种应用场景，人们广泛探索了多种储能技术，包括锂离子电池[1]、锌离子混合电容器[2]和超级电容器[3]等。传统电池通常具有较高的能量密度，但存在功率容量有限和循环寿命中等的问题。而超级电容器以其出色的功率输出、超快充放电特性和优异的循环寿命而受到重视。因此，在需要即时能量输出和可靠长期运行的应用中，超级电容器被视为不可或缺的组件。然而，其固有的低能量密度和较高的生产成本严重限制了其实际应用[4]。因此，降低生产成本和提高能量密度成为该领域的研究重点。超级电容器的电化学性能主要取决于其电极材料的性质。为此，研究人员提出了多种构建先进电极结构的策略，包括物理和化学活化、模板辅助方法以及使用碳纳米管和二维过渡金属碳化物/氮化物（MXene）等高导电性材料的复合材料[5][6][7]。尽管这些方法可以有效增强离子传输动力学和储电能力，但仍面临工艺复杂、材料成本高、环境负担重和可扩展性有限等问题。
近年来，基于生物质的碳材料因其可再生性、低成本和结构多样性而成为可持续能源存储的有希望的候选材料。其中，木质碳材料特别具有吸引力[8]。一方面，木材不仅是一种重要的可再生资源，而且储量丰富且易于获取。天然木材在生物生长过程中形成的独特三维层次多孔结构赋予了木质碳材料丰富的孔道和坚固的框架，使其可以直接作为自支撑的厚电极使用，无需粘合剂[9]。另一方面，成熟的木材加工产业显著降低了木质碳材料的工业生产成本[10]。基于这些优势，研究人员对木质碳材料的结构调控进行了大量研究。这些策略大致可分为三类：第一类基于物理或化学活化及结构重构的方法；例如，张等人通过脱细胞处理杨木，减少了木质素对孔结构的阻碍，并通过梯度碳化最大限度地保留了层次化的自支撑多孔结构，从而制备出具有优异电化学性能的碳材料[11]；Hamouda等人使用KOH、ZnCl₂和H₃PO₄处理相思木，帮助构建层次化的宏观/介孔结构，并系统研究了不同处理方法对电化学性能的影响[12]；刘等人利用冻融策略物理重构了杨木的孔结构，利用水相变引起的体积变化，成功制备出了无需强腐蚀性化学试剂的高性能木质碳电极材料[13]。第二类策略依赖于生物预处理方法；Cao等人利用白腐真菌降解泡桐木中的木质素，在真菌生长过程中，对木材的侵蚀作用和菌丝留下的通道显著增加了木材基体的孔隙率，从而获得了具有更好电化学性能的木质碳电极材料[14]。第三类策略是将木材与高导电性功能材料结合；例如，陈等人采用浸涂法在未碳化的木材表面负载了大量MXene[15]，充分利用木材的自然多孔结构和MXene的优异导电性，在整个木材框架中构建了三维导电网络，显著提高了电解质离子的渗透性和整体电化学性能。尽管这些策略取得了显著进展，但通常仍存在至少一种固有的局限性：化学或盐活化方法效率很高，但往往需要使用高腐蚀性试剂，容易导致设备腐蚀和环境问题；负载高导电性材料（如MXene）可能导致材料自聚集，从而在快速充放电过程中造成材料断裂；生物处理方法由于生产周期长、操作复杂和培养条件严格，难以大规模商业化应用。因此，迫切需要研究一种新的方法，能够有效优化木材的孔结构，减少环境危害，并具有适当的生产周期。
有趣的是，在自然界的碳循环中，木材在温和条件下通过酶介导的过程被真菌高效且选择性地分解[16][17]。多种真菌分泌多种特定的生物酶，协同降解木材的三大成分——纤维素、半纤维素和木质素，将这些大分子生物聚合物转化为可在生物圈内再利用的小分子物质。受这一自然过程的启发，直接使用纤维素酶对木材进行结构调控为制备先进的木质碳材料提供了一种极具前景且环保的新方法。纤维素酶可以定向降解木材的纤维素骨架，其中包含的内切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和β-葡糖苷酶逐渐分解大分子纤维素的不同区域，将其分解为可溶于水的小分子（如纤维二糖和葡萄糖[18]）。在降解过程中，纤维素酶可以固定在长纤维素链上，反复降解新链，在材料中留下丰富的孔结构并暴露出亲水基团，从而提高表面润湿性。然而，酶活性会随时间减弱，酶促反应主要促进微孔的形成，对木材中大孔的利用相对较少[19]。为了进一步提高其电化学性能，可以对酶解得到的碳材料进行杂原子掺杂和过渡金属氧化物改性，以构建层次化的多孔结构并提供额外的赝电容贡献。因此，结合酶介导的结构调控和后续的功能化有望在孔结构和表面化学性质两方面实现对木质碳材料的全面优化，从而制备出高性能、低成本且可持续的先进超级电容器电极材料。
本研究提出了一种可持续且创新的策略，利用纤维素酶辅助的生物质工程重构木质碳的层次结构，从而制备出高性能的厚电极用于超级电容器。通过酶的高度选择性作用，保留了木材材料原有的三维通道，酶处理产生的额外孔隙形成了更复杂的相互连接的多孔网络，有效克服了厚电极中的离子传输限制。同时，对碳材料进行了氮掺杂，并使用MnO作为理想的负载材料固定在碳上，以优化电极与电解质之间的界面。结果，所得电极实现了高效的电荷传输、高体积利用率和优异的电荷存储动力学。在碱性三电极条件下测试时，该材料的比电容达到20.0 ± 1.1 F cm⁻²和760.3 ± 41.1 F g⁻¹。当组装成碱性对称超级电容器时，在421.1 ± 18.2 mW cm⁻²的功率密度下，其能量密度为0.42 ± 0.02 mWh cm⁻²。这些结果表明，本研究建立了一种绿色、可扩展的方法，利用相对温和的方式将天然木材生物质转化为高性能的电化学储能材料。
