2025年6月7日，国家知识产权局公开了一项名为“一种生物质衍生多孔炭与LDH复合材料及其制备方法和应用”的专利（公开号CN120108943A），发明团队来自上海交通大学与内蒙古上交碳慧环境科技有限公司。
这项专利的核心在于开发了一种基于农业废弃物的多级孔结构电极材料。专利摘要显示，该技术将生物质衍生多孔炭与镍盐、钴盐混合，通过水热反应构建复合结构，使材料同时具备微孔、介孔和大孔的分级孔隙系统。
01超级电容器的技术瓶颈与生物质破局
可再生能源的大规模应用对储能技术提出了更高要求。超级电容器作为功率密度突出的储能器件，其充放电速率和循环寿命显著优于传统电池，然而能量密度不足始终制约其广泛应用。
电极材料是决定超级电容器性能的核心因素。目前商业化超级电容器主要采用活性炭电极，依赖双电层储能机制。这类材料虽功率特性优异，但比容量普遍局限在100-200F/g范围内。
过渡金属层状双氢氧化物（LDH）作为电池型材料，通过氧化还原反应提供赝电容，理论容量可达数千法拉每克。然而其导电性差、循环过程中易发生结构坍塌的问题长期未得到根本解决。
生物质衍生多孔碳在此背景下显现独特价值。2024年4月30日，上海交通大学沈国清团队公开的生物质多孔炭制备专利（CN117954234A）已揭示：
以玉米秸秆等农业废弃物为原料，结合氢氧化钾活化与醋酸锌模板效应，可制备比表面积达929-1394m2/g的分级多孔炭，其孔体积高达0.77-1.67cm3/g。
02专利核心技术：多孔炭与LDH的协同构建
根据专利说明书，该技术的实施路径分为两个关键阶段：
生物质多孔炭制备采用玉米秸秆、竹子、杨木屑或沼渣为原料，与氢氧化钾和醋酸锌按特定比例混合制浆。其中生物质与氢氧化钾质量比控制在1：0.5-2，与醋酸锌质量比为1：0.5-1.5。
经干燥处理后，原料在800℃氮气环境下炭化活化2小时。此过程中，氢氧化钾作为活化剂蚀刻碳骨架产生微孔，醋酸锌则作为模板剂引导介孔和大孔形成。两者的协同效应使孔径分布显著优化。
LDH复合阶段将所得多孔炭与镍盐、钴盐、乙二醇、六次甲基四胺和水混合，通过水热反应在碳骨架上生长镍钴LDH纳米片。乙二醇作为反应介质促进纳米片均匀成核，六次甲基四胺则提供碱性环境驱动LDH晶体生长。
水热条件（温度120-180℃，时间6-12小时）的精确控制使LDH以垂直取向方式锚定在多孔炭表面，形成三维层次结构。这种设计既抑制了LDH片层堆叠，又为离子传输提供了快速通道。
03结构解析：多级孔道与界面电子耦合
专利表征数据显示，该复合材料具有三重优势结构：
多级孔道系统中，微孔（<2nm）提供巨大比表面积存储电荷；介孔（2-50nm）作为离子传输高速公路；大孔（>50nm）则充当电解质储库，确保离子快速补给。这种结构使材料在1A/g电流密度下比电容达到1340F/g，远高于常规活性炭材料。
界面结合机制是该专利的核心创新。上海大学焦正教授团队在同类研究中发现：多孔炭中掺杂的氮、氧原子能与LDH金属原子形成强电子耦合。其中吡啶氮对镍原子的结合能高达-3.48eV，显著高于未掺杂碳表面的-1.92eV。
密度泛函理论计算进一步揭示：镍原子的d轨道与碳基底的p轨道发生重叠，形成共价杂化界面。这种界面诱导电子从LDH向碳骨架定向迁移，在界面处形成内建电场，大幅加速电荷转移速率。
机械稳定性提升得益于三维互穿网络结构。多孔炭骨架为LDH在充放电过程中的体积膨胀提供缓冲空间，使复合材料在10A/g大电流下循环5000次后，容量保持率仍达63.8%，显著优于纯LDH电极的22.6%。
04性能突破：能量密度与循环寿命的平衡术
专利测试数据表明，这种复合电极在多个性能维度实现突破：
倍率性能方面，当电流密度从1A/g提升至10A/g时，比电容保持率达63%（从1340F/g降至844F/g），远超传统LDH材料30%以下的保持率。这主要得益于优化的介孔网络降低了离子传输阻力。
能量密度提升源于双机制协同：多孔炭的双电层电容提供快速响应能力，镍钴LDH的氧化还原反应贡献高比容量。在3V电压窗口下，器件能量密度达28.9Wh/kg，功率密度同步提升至288kW/kg。
长循环特性通过界面强耦合实现。专利实施例显示，复合材料在10A/g电流下经历5000次充放电后，电容衰减率仅为0.0072%每循环，显著优于文献报道的LDH基复合材料。这主要归功于N/O杂原子桥联抑制了活性物质脱落。
上海交大张荻院士团队在生物质多孔炭研究中获得类似发现：采用芬顿化学预处理小麦秸秆，使多孔炭的KOH活化效率提升一倍，在100A/g超高电流下仍保持优异容量，实现了绿色制备与高性能的平衡。
05技术对比与定位
横向比较近期超级电容器电极技术，该专利在多方面展现竞争力：
上海大学开发的NiCoLDH@NOPCNFs材料虽实现1340F/g的高比电容，但其制备依赖昂贵的静电纺丝和模板法，且碳纳米纤维的机械强度受限。
而密胺海绵衍生的柔性多孔炭/LDH复合材料虽具有良好机械性能，但在1A/g电流密度下比电容仅941F/g，且介孔率不足导致倍率性能受限。
张荻院士团队在NatureNanotechnology发表的致密量子片薄膜技术虽实现437F/cm3的超高体积电容，但其制备需要精密调控二维材料基元尺寸，工艺复杂且成本高昂。
相较而言，本次专利采用的生物质多孔炭基复合材料平衡了性能、成本和规模化潜力：原料来源于农业废弃物，制备工艺兼容常规化工设备，且电化学性能达到前沿水平。
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