木糖-软模板水热法制备硼掺杂分级多孔炭球及其电化学性能

徐 州 刘宇轩 徐成凤 呼延梓涵 罗 沙 李 伟 刘守新

(东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，哈尔滨150040)

超级电容器[1]凭借其高功率密度、长循环使用寿命、短充电时间和环保经济等优点成为绿色储能器件的首选之一，其根据能量存储机理不同可分为2类：双电层电容器(EDLC)和赝电容器[2]。对于EDLC而言，电解质离子在电极材料表面及内部的静电吸附以及扩散速率决定了其使用性能[3]。而分级多孔炭具有高的比表面积、大的孔容积以及微孔-介孔-大孔并存的分级多孔结构，能够为电解质离子在电极材料表面及内部的吸附和扩散起到促进作用[4]。但分级多孔炭的化学反应活性不高、稳定性低、表面润湿性差和导电性低等缺点限制了其在电化学领域的应用[5]。利用N、P、S、B等[6-7]杂原子掺杂可明显改善多孔炭表面化学活性和反应稳定性，尤其是B相对C是缺电子原子，将硼引入碳的晶格结构中可以作为电子受体促使碳发生费米能级转移[8]，有助于降低禁带宽度并有效改善碳的表面润湿性和导电性，从而大幅提升其电化学性能。目前报道的硼掺杂多孔炭的制备方法有硬模板法[9]、直接热解法[10]、溶剂挥发诱导自组装法[11]等，但均存在一定问题，如硬模板法中模板的去除需要使用HF或浓碱刻蚀，直接热解法需要含硼前驱体以及容易破坏分级多孔结构，溶剂挥发诱导自组装需大量有机溶剂、反应时间长。

软模板法[12]能够避免硬模板法等复杂的合成路径，广泛用于制备球形、片状、棒状、膜等炭材料，高温去除模板后，能够控制形成介孔结构。另外，水热法[13]可以在较低温度(150～350℃)和自生压力下将生物质转化为数百纳米至数十微米的胶质炭球且水热过程绿色、温和并能促进炭源分子的聚集。

我们以D-木糖为炭源，月桂酸钠为模板剂，硼酸为掺杂剂，采用水热方法制备出窄尺寸分布规整炭球，经炭化、活化制得微孔-介孔-大孔并存的硼掺杂分级多孔炭球，并考察其电化学性能。

1 实验部分

1.1 原料与试剂

D-木糖(98%)、月桂酸钠、浓盐酸(37%)、硼酸、无水乙醇、乙炔黑、聚四氟乙烯等均为分析纯，泡沫镍和去离子水均为市售。

1.2 硼掺杂分级多孔炭球的制备

称取2.4 gD-木糖(98%)、0.087 g月桂酸钠溶解于40 mL水中，60℃水浴加热至月桂酸钠完全溶解，加入0.142 g浓盐酸(37%)，磁力搅拌30 min后分别加入0、0.463 7、0.927 5、1.855 0 g硼酸，继续磁力搅拌30 min，将溶液转入容积为100 mL的反应釜中并在160℃均相反应器中处理12 h。取出反应后混合物，加入去离子水、乙醇分别离心、洗涤10次并在80℃下干燥12 h得到多孔炭球前驱体，并标记为BPS-0、BPS-0.5、BPS-1和BPS-2。将前驱体置于管式炉中，在N2气氛中于20℃下恒温30 min后以5℃·min-1由20℃升温至300℃，恒温60 min后以5℃·min-1升温至700℃，恒温60 min，而后将N2转换为CO2，700℃活化60 min，冷却至室温后制得硼掺杂分级多孔炭球，并标记为BPCS-0、BPCS-0.5、BPCS-1和BPCS-2，详细流程见图1。

图1 硼掺杂分级多孔炭球的制备流程及超级电容器应用Fig.1 Schematic illustration of the preparation process for B-doped hierarchical porous carbon spheres and application of supercapacitor

1.3 表征仪器

所用仪器：美国Thermo Scientific公司Apreo S Hivc型扫描电子显微镜(SEM，工作电压5 kV)；日本株式会社JEM-2100型透射电子显微镜(TEM，加速电压200 kV)；美国Micromeritics公司ASAP 2020型全自动比表面积和孔隙度分析仪(200℃下真空脱气120 min，77 K液氮温度)；美国Thermo Scientific公司Thermo escalab 250Xi型X射线光电子能谱仪(XPS，MgKα为 射线源，电子 结 合能1 253.6 eV)；美 国Magna公司Magna-560型傅里叶变换红外分析仪(FT-IR)；英国Renishaw公司Renishaw Invia型拉曼光谱仪(Raman，激发波长532 nm)；日本株式会社D/MAX 2200型X射线衍射仪(XRD，管电压40 kV，管电流30 mA，CuKα作为放射源，λ=0.154 2 nm，扫描范 围2θ为5°～80°)；德国Netzsch公司Netzsch Sta 449 F5/F3 Jupiter型热重分析仪(TG，氮气气氛，升温速率10℃·min-1，从室温升至800℃)；德国KRüSS公司DSA25型接触角测量仪；德国Bruker公司ELEXSYS II E 500型顺磁共振波谱仪(EPR)。

1.4 电化学性能测试

使用英国Solartron Metrology公司Solartron Analytical 1400A型电化学工作站测试电化学性能，采用三电极体系。将活性材料、乙炔黑和聚四氟乙烯(60%)按照质量比8∶1∶1在少量乙醇中研磨制得黏性浆料，涂覆在尺寸为1 cm×1 cm泡沫镍上，在压力10 MPa下制得工作电极，并在105℃下干燥24 h，以6 mol·L-1KOH为电解质，Hg/HgO为参比电极，Pt片为对电极。根据式1计算比电容C1(F·g-1)：

按三电极体系的制备方法在直径为1.5 cm的圆形泡沫镍上制备正负工作电极，以6 mol·L-1KOH为电解液，玻璃纤维为隔膜，组成2032纽扣型对称电容器，根据式2计算比电容C2(F·g-1)，用式3和4计算能量密度E(Wh·kg-1)和功率密度P(W·kg-1)。

其中，I(A)为充放电电流，Δt(s)为放电时间，ΔV(V)为恒电流充放电(GCD)窗口电位，m1(g)为三电极体系电极活性物质的质量，m2(g)为二电极体系正负电极活性物质的总质量。

2 结果与讨论

2.1 TG分析

如图2所示，不同硼掺杂量炭球前驱体BPS-0、BPS-0.5、BPS-1、BPS-2的TG曲线均可分为3个阶段，30～300℃、300～600℃以及600℃之后。30～300℃阶段，质量损失较缓慢，主要归因于自由水、结合水和部分小分子化合物的挥发[14]；300～600℃阶段质量损失较迅速，主要归因于硼掺杂分级多孔炭球碳链上基团的逐渐分解[15-16]；600℃之后质量损失非常缓慢，炭化过程基本完成，且随着硼掺杂量的提高，当炭化温度达到700℃时BPS-0、BPS-0.5、BPS-1、BPS-2的残炭率逐渐提高，分别为45.79%、49.18%、51.35%和53.55%。

图2 BPS-0、BPS-0.5、BPS-1、BPS-2、硼酸和月桂酸钠的TG曲线Fig.2 TG curves of BPS-0,BPS-0.5,BPS-1,BPS-2,boric acid,and sodium laurate

月桂酸钠在400℃左右质量损失迅速，在600℃时完全分解。硼酸从100℃左右开始产生质量损失，350～680℃质量损失迅速，在700℃左右几乎完全分解。由上分析可知，虽然炭球前驱体、硼酸、月桂酸钠的热解性能差异较大，但当水热温度达到160℃时模板剂和掺杂剂均能稳定存在，当热解温度达到700℃时三者均能完全热解。

2.2 BET(Brunauer-Emmett-Teller)比表面积分析

图3为不同样品的孔结构分析，由图3a的N2吸附-脱附等温线可知，BPCS-0、BPCS-0.5、BPCS-1和BPCS-2的等温线均属于Ⅰ型和Ⅳ型的混合曲线，在相对压力p/p0＜0.01时N2吸附量急剧上升，说明材料含有大量的微孔，这归因于CO2的活化作用，其与炭材料发生显著的氧化反应(如式5和6所示)使炭材料中的部分碳原子被烧蚀并扩展出新的孔隙结构，尤其是促进微孔结构的形成[17-18]，相较BPCS-1-N2(只用N2炭化，其他条件同BPCS-1)，BPCS-1的N2吸附量大幅提升[19]。在0.7＜p/p0＜0.95时出现H4型回滞环，表明材料具有典型的介孔特性，归因于月桂酸钠(高温炭化被分解形成介孔)的造孔作用，相较对照组(未加月桂酸钠，其他条件同BPCS-1)，BPCS-1滞后环面积明显增大[20]；在p/p0＞0.95时吸附曲线仍有骤升趋势，说明材料内部存在大孔结构[5]，归因于胶质炭球的堆积。另外，随着硼掺杂量的提高，样品BPCS-0、BPCS-0.5、BPCS-1、BPCS-2的吸附量先增加后降低，且回滞环朝相对分压较大方向偏移，归因于过量硼掺杂会阻塞一部分孔隙结构[21]；由图3b孔径分布可知，不同样品的孔径分布均较宽(0.45～190.00 nm)，BPCS-1的微孔主要分布在0.5～1.2 nm，介孔主要分布在3.14～35.00 nm，大孔主要分布在60～146 nm，为典型的分级结构[22]。

图3 不同样品的(a)N2吸附-脱附等温线和(b)孔径分布曲线Fig.3(a)N2 adsorption-desorption isotherms and(b)pore size distribution curves of different samples

不同样品的孔结构参数如表1所示，炭化后多孔炭球的比表面积和总孔容积均显著上升，但由Barrette-Joyner-Halenda(BJH)模型计算所得平均孔径均显著降低并集中于1.5～2.0 nm，归因于炭化过程中CO2的活化作用和月桂酸钠的分解使大量挥发性小分子和杂质等被去除，形成大量微孔、介孔结构。对照组具有较高的比表面积(536 m2·g-1)和发达的微孔结构，介孔比例为3.73%，添加月桂酸钠后，BPCS-1介孔比例提高到9.65%。BPCS-1-N2的比表面积为334 m2·g-1、微孔比表面积为271 m2·g-1、总孔容为0.18 cm3·g-1，经CO2活化后BPCS-1的对应数值分别提高到653 m2·g-1、590 m2·g-1、0.29 cm3·g-1。随着多孔炭球硼掺杂量的提高，BPCS-2的比表面积、总孔容和平均孔径均减小，归因于过量硼掺杂带来的催化作用过强，水热过程中形成大量稠环和芳环大分子导致多孔炭球在炭化时残炭率过高(如图2中多孔炭球热性能分析所示)，且过量的硼掺杂会阻塞多孔炭球中部分孔隙结构[23-24]。

2.3 微观形貌及元素分析

由图4a可知，对照组基本未形成规则的球形形貌且表面粗糙，同时出现严重的聚合和粘连现象，对照组产率为9.7%，较BPCS-1产率29.6%大幅下降，说明月桂酸钠作为模板剂通过与D-木糖间的氢键作用会促进有机-有机自组装过程自发进行并形成窄尺寸分布且产率较高的规整炭球。由图4b可知，未经掺杂的多孔炭球BPCS-0表面粗糙、尺寸分布较宽(3～20 μm)，结合图4f可知，其表面附着较多微小炭球(尺寸分布100～300 nm)，归因于无催化剂状态下水热过程中D-木糖的不完全水解形成不同分子量低聚物，经缩合、芳构化形成不同尺寸炭球[25-26]。经硼掺杂(图4c～4e)，炭球尺寸降低(2～5 μm)，尺寸分布明显变窄，球形规整度明显提高且表面光滑，归因于硼酸的催化作用使D-木糖在水热过程中完全水解形成较小分子量低聚物，经缩合、芳构化形成窄尺寸分布且表面光滑的炭球[27-28]。由图4g～4i可知，BPCS-1表面存在大孔、介孔和大量蠕虫状微孔，这与图3中N2吸附-脱附等温线和孔径分布曲线结果相一致，这些孔结构可以为电荷的储存提供更多活性位点[29]。图4j～4m为BPCS-1的C、O和B元素映射图，由图可知，炭球表面以C、O、B为主，B分布均匀。且由表2掺杂前后多孔炭球的元素含量分析可知，随着硼酸加入量的提高，多孔炭球中C和B含量不断提高而O含量不断下降，归因于硼掺杂会促进D-木糖的完全水解，增强缩合过程中的芳构化程度。

图4 (a)对照组、(b)BPCS-0、(c)BPCS-0.5、(d)BPCS-1、(e)BPCS-2的SEM图;(f)BPCS-0和(g～i)BPCS-1的TEM图;(j～m)BPCS-1的C、O和B的元素映射图Fig.4 SEM images of(a)control group,(b)BPCS-0,(c)BPCS-0.5,(d)BPCS-1,and(e)BPCS-2;TEM images of(f)BPCS-0 and(g-i)BPCS-1;(j-m)C,O,and B element mappings of BPCS-1

2.4 EPR、FT-IR和XPS分析

图S1(Supporting information)为不同样品的EPR谱图，由图可知，在顺磁信号g=2.003处观察到明显的信号峰，归因于表面氧空位上发生的电子捕获[30]，表明材料表面存在氧空位(VO)。相较BPCS-0，掺硼后多孔炭的VO信号增强，说明硼掺杂能够促进多孔炭表面VO的形成，创造更多活性位点[31-32]。随着B含量的增加，BPCS中VO信号呈现先增强后减弱的趋势，BPCS-1的信号最强，说明其表面VO浓度最高。

图5为D-木糖、BPS-1和BPCS-1的FT-IR谱图。BPS-1与D-木糖的FT-IR谱图指纹区区别明显。其中3 215 cm-1处有较强的吸收峰，归属于—OH的伸缩振动，1 594和1 690 cm-1处的特征峰是苯环上C=C的骨架振动吸收，1 385和1 014 cm-1处的特征峰分别为B—O的伸缩振动峰和B—C的摇摆振动峰[33]，说明炭源经过脱水、降解形成小分子单元，再经过缩合、芳构化形成具有一定结构强度的炭球前驱体，且硼以化学键的形式保留在硼掺杂分级多孔炭球骨架之中；经700℃炭化、活化，BPCS-1的FT-IR谱图各特征峰强度大幅降低甚至消失，归因于炭化物表面发生剧烈的脱水、脱氢反应，且550～650℃为炭球前驱体向多孔炭快速发展并完成积碳过程的转折性温度，相较炭球前驱体，多孔炭球的透过率大幅减少，也导致各峰值强度明显减弱甚至消失，与文献中已报道的结果一致[34-35]。

图5 D-木糖、BPS-1和BPCS-1的FT-IR谱图Fig.5 FT-IR spectra of D-xylose,BPS-1,and BPCS-1

图6a是BPCS-1的XPS全谱图，在BPCS-1中出现B1s信号峰说明经水热反应后硼已经成功掺杂于多孔炭球中。图6b是样品BPCS-1的C1sXPS精细谱图，峰值290.1 eV对应C=O；峰值287.1 eV对应C—B；峰值286.6 eV对应C—O；峰值284.5 eV对应C—C、C=C[36]。图6c是O1sXPS精细谱图，峰值535.5 eV对应C=O；峰值532.9 eV对应C—O；峰值531.1 eV对应B—O[37]。图6d是BPCS-1的B1sXPS精细谱图，峰值192.8 eV对应B—O—C以及D-木糖、硼酸聚合反应生成的O—B—O—C，由于在边缘位的硼原子更容易和电负性大的氧原子发生键和，应以BCO2和BC2O为主；峰值192.2 eV对应C—B，为BC3结构，BC3结构的形成有利于增加炭球中空穴电荷载体的数目并改变电子云的结构以形成活性位点，从而提高其电催化活性，由以上分析可知B以化学键的形式接到BPCS-1的炭球骨架中[38]。

图6 BPCS-1的(a)XPS全谱图、(b)C1s、(c)O1s和(d)B1s谱图Fig.6 XPS(a)survey,(b)C1s,(c)O1s,and(d)B1s spectra of BPCS-1

另外，硼掺杂可以显著改善多孔炭球的表面润湿性[39]，如图1所示，水滴在接触BPCS-0表面时呈现疏水状态，接触角为95.5°，硼掺杂后BPCS-1表面则变为亲水状态，接触角为67.1°，材料与水表面的接触角越小说明炭材料的亲水性越好，杂原子掺杂可明显改善多孔炭表面润湿性，这有利于水系电解液中电解质离子在炭材料表面的吸附和脱附，也有助于电子电导率和离子输运的增强，与文献[40-42]报道的结果类似。

2.5 XRD和Raman分析

图7a为不同样品的XRD图，由图可知，衍射角小于10°时多孔炭相较炭前驱体的曲线区别明显且上扬，归因于炭化提高了多孔炭的石墨化程度，通过小角XRD图亦能印证此结论：炭前驱体在0.5°～5°内未出现衍射峰，而多孔炭却在2θ=0.89°附近出现(100)晶面的衍射峰且强度随着硼掺杂量的提高逐渐增强，但该衍射峰较宽且非常微弱，表明炭化后多孔炭的石墨化程度提高但有序度仍较低；相较BPS-1，多孔炭在2θ=23°和43°时出现2个宽的衍射峰，分别归属于无定形炭和石墨炭的(002)和(100)晶面，表明该多孔炭球具有一定的石墨化结构，但(002)晶面对应的衍射峰的宽度较大，且(100)晶面对应的衍射峰强度较低，说明经炭化过程后炭球的石墨化程度仍较低，炭材料中仍存在较多缺陷[43]，但缺陷随着硼掺杂量的升高略有减小。

图7 不同样品的(a)XRD图和(b)Raman谱图Fig.7(a)XRD patterns and(b)Raman spectra of different samples

图7b为不同样品的Raman谱图。谱图中有2个主要的特征带：1 319 cm-1处的D带和1 585 cm-1处的G带，分别代表无序结构和有序石墨结构激发的特征峰，通过计算样品中D带和G带的强度比ID/IG可以衡量炭材料的缺陷程度，该比值越大，样品中的缺陷越多，有序度越低。从图中可知，随着硼掺杂量的增大，ID/IG比值越来越小，说明多孔炭中缺陷越来越少，有序化程度不断提高，这与图7a中XRD结果分析一致。有序化程度增加，有利于离子在材料表面的吸附和解吸，在一定程度上对材料的电化学性能改善有积极作用，但ID/IG(1.108、0.982、0.973、0.964、0.947)仍较大，表明炭材料中有序化程度仍较低，缺陷仍大量存在[1,44-45]。

2.6 三电极电化学性能分析

图S2a为BPCS-1在5 mV·s-1扫描速率下，将电压窗口从-0.4 V扩展到-1.6 V时的循环伏安(CV)曲线，-1.0 V以下的CV曲线形状基本保持不变，但当电压增大到-1.2 V后，高电压位置曲线出现了显著突增，说明电容器已经发生严重的极化现象[33,46]，遂将电压窗口设置-1.0～0 V。图S2b为不同样品在-1～0 V、5 mV·s-1下的CV曲线，由图可知，掺硼后积分面积显著增大，且随着硼掺杂量的提高，积分面积先增大后减小，BPCS-1拥有最大的积分面积且曲线最接近矩形，说明其具有最好的双电层电容行为。图8a为5～100 mV·s-1扫描速率下BPCS-1的CV曲线，随着扫描速率的上升矩形逐渐扭曲但仍能保持优异的电容性能。图S2c为不同BPCS在电流密度为1 A·g-1时的恒电流充放电(GCD)曲线，曲线均呈近乎等腰三角形，表现出良好的电容特性和电化学稳定性，相较未掺杂多孔炭球，硼掺杂多孔炭球的比电容明显提高(BPCS-1的比电容最高)，归因于适量硼掺杂可以改善多孔炭球的表面润湿性[39]，且硼元素具有缺电子性[8]，是极好的电子受体，能促进多孔炭球表面发生氧化还原反应并在一定程度上提高其电负性和电子传输性能；但当硼掺杂量过高时，电化学性能下降，归因于水热过程中硼酸催化作用过强，生成大量稠环和芳环大分子，导致炭化时残炭率高并造成孔隙结构阻塞而无法传输离子[28]。

图8b为BPCS-1在电流密度从0.5 A·g-1变化到5 A·g-1时的GCD曲线，当电流密度为0.5 A·g-1时比电容为287.12 F·g-1，当电流密度增大到5 A·g-1时比电容为145.60 F·g-1，电容保持率为51%。图8c为不同样品在电流密度为0.5～5 A·g-1时的比电容变化图，由图可知，比电容随着电流密度的增大而减小，归因于电流增大时离子在电极材料内部传输阻力增大，但掺硼后BPCS的电容衰减速度均较慢且拥有良好的稳定性(均高于50%)，归因于分级结构的存在(微孔利于电荷的储存；介孔利于电荷和离子的传递；大孔利于电解液或吸附质的储存)[29]，BPCS-1即使经过衰减，仍能保持最优异的电容性能。图8d为1 A·g-1时不同样品的比表面积和比电容关系图，由图可知，多孔炭的比电容和比表面积呈正相关，归因于较高的比表面积和微孔含量能提供更多的电化学活性位点并储存更多离子，有助于提高导电性，但当硼掺杂浓度过高时部分孔隙结构被阻塞，多孔炭比表面积和微孔含量下降，离子储存和传输效率降低，导电性和电化学性能下降。

图8e为BPS-1、BPCS-0、BPCS-0.5、BPCS-1和BPCS-2的Nyquist曲线(105～10-2Hz)，其等效串联电阻Rs(与x轴的交点)分别为0.62、0.58、0.42、0.35、0.47 Ω，说明BPCS-1拥有最小的电阻率(ρ=RS/L，5种样品的横截面积S、长度L均相同)表明其导电性最佳；高频区的半圆直径代表电解液与活性物质连接界面的电荷转移阻抗RCT，BPCS-1拥有最小的半圆直径表明其电荷转移阻抗最小；中频区域的Warburg型曲线(斜率45°)为扩散阻抗ZW，BPCS-1的倾斜部分较短，表明其离子由电解液扩散至电极材料表面阻抗极小且扩散速率较快；BPCS-1在低频区接近垂直的曲线表明其具有优异的电容特性(CPE1、CPE2)[47-48]。图8f为样品BPCS-1在电流密度5 A·g-1时进行1 000次充放电的循环稳定性曲线，电容保持率为93.51%，显示了优异的循环稳定性。

表3是近期已报道的一些多孔炭基材料的电容性能对比[6,37,46,49-59]。从表中可以看出，BPCS-1比电容相对较高，具有潜在的实用价值。

表3 文献中已报道的多孔炭基材料的电容性能Table 3 Capacitive properties of porous carbon materials reported in the literature

2.7 二电极电化学性能分析

为进一步研究材料的实用性能，将BPCS-1组装成对称型超级电容器。图9a为BPCS-1在50 mV·s-1的扫描速率下将电压窗口从0.4 V扩展到1.6 V时的CV曲线，在1.2 V电压以下的CV曲线形状基本保持不变，当电压增大到1.4 V时，高电压位置曲线出现了突增，说明电容器已经发生极化现象[33,40]，遂将电压窗口设置为0～1.2 V。图9b是0～1.2 V范围内的CV曲线，扫描速率从50 mV·s-1增加到500 mV·s-1时曲线的形状基本保持不变，说明材料具有良好的倍率性能。图9c为不同电流密度下的GCD曲线，0.5 A·g-1时比电容为151.34 F·g-1，5 A·g-1时比电容为100.00 F·g-1。图9d是比电容随电流密度增大而减小的曲线，电流密度增加10倍后电容保持率为66.08%。根据式3、4计算可知，当功率密度为250 W·kg-1时，能量密度为5.3 Wh·kg-1，功率密度增加至2 500 W·kg-1时，能量密度仍可保持至3.5 Wh·kg-1。不同功率密度对应的能量密度如图9e所示。图9f为BPCS-1在电流密度5 A·g-1时进行1 000次充放电的循环曲线，电容保持率为96.43%，显示了优异的循环稳定性。

图9 BPCS-1在(a)0.4～1.6 V时的CV曲线、(b)50～500 mV·s-1时的CV曲线、(c)0.5～5 A·g-1时的GCD曲线、(d)0.5～5 A·g-1时的比电容变化图、(e)Ragone图和(f)循环稳定性Fig.9(a)CV curves at 0.4-1.6 V,(b)CV curves at 50-500 mV·s-1,(c)GCD curves at 0.5-5 A·g-1,(d)specific capacitance at 0.5-5 A·g-1,(e)Ragone plot,and(f)cycling stability of BPCS-1

3 结论

在D-木糖、月桂酸钠、硼酸水热炭化过程中，月桂酸钠作为介孔造孔剂的同时，通过与D-木糖间的氢键作用使有机-有机自组装过程自发进行，调控木糖的水热炭化过程并形成窄尺寸分布(2～5 μm)的规整炭球；硼酸催化炭源脱水、降解，其本身受热分解且以BC3、BCO2等形式固定在多孔炭球上，掺硼后BPCS-1较BPCS-0，炭球与水的表面接触角由95.5°显著降低为67.1°，润湿性明显提高。且经CO2活化、月桂酸钠高温分解以及胶质炭球的堆积分别产生微 孔(0.5～1.2 nm)、介 孔(3.14～35.00 nm)以 及 大 孔(60～146 nm)并形成分级结构。BPCS-1电化学性能最佳，比表面积为653 m2·g-1、总孔容为0.29 cm3·g-1，三电极体系下在6 mol·L-1KOH电解液中，电流密度为0.5 A·g-1时比电容为287.12 F·g-1，电流密度为5 A·g-1时进行1 000次充放电循环后电容保持率为93.51%；两电极体系下，当功率密度为250 W·kg-1时，能量密度为5.3 Wh·kg-1；当功率密度增加至2 500 W·kg-1时，能量密度仍可保持至3.7 Wh·kg-1，电流密度为5 A·g-1时进行1 000次充放电循环后电容保持率为96.43%。

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