DOI:10.1016/j.jpowsour.2025.237129

全文速覽

本文通過快速焦耳加熱（Flash Joule Heating, FJH）技術(shù)，在20秒內(nèi)快速制備了具有貫穿孔結(jié)構(gòu)的氮/氧共摻雜煤基多孔碳材料（FJH-AC-2）。該材料具有高比表面積（1039 m2 g?1）、豐富的超微孔（<0.7 nm）和分級孔道結(jié)構(gòu)，顯著提升了離子傳輸效率。在6 M KOH電解液中，電極表現(xiàn)出313.7 F g?1的高比電容，組裝的對稱超級電容器在1 M TEATFB/AN電解液中實現(xiàn)了57.8 Wh kg?1的能量密度和99.8%的循環(huán)穩(wěn)定性（10,000次）。與傳統(tǒng)管式爐加熱相比，F(xiàn)JH技術(shù)大幅縮短制備時間，并保留了更多雜原子，為高性能超級電容器的快速制備提供了新思路。

背景介紹

超級電容器因功率密度高、循環(huán)壽命長，在能源存儲領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)活性炭（AC）制備依賴高溫管式爐，存在能耗高、耗時長（數(shù)小時）、孔結(jié)構(gòu)易破壞等問題。此外，高比表面積常導致離子傳輸阻力增加，限制能量密度提升。本文提出通過FJH技術(shù)快速制備具有貫穿孔和雜原子摻雜的煤基多孔碳，解決上述瓶頸。

本文亮點

（1）超快制備：FJH技術(shù)僅需20秒完成活化，效率較傳統(tǒng)方法提升百倍。

（2）分級多孔結(jié)構(gòu)：分級孔道（微孔-介孔-大孔）縮短離子擴散路徑，降低電阻。

（3）高雜原子摻雜：快速加熱避免KOH過度刻蝕，氮（3.32%）、氧（24.18%）含量顯著高于管式爐樣品。

（4）卓越電化學性能：比電容達313.7 F g?1，能量密度57.8 Wh kg?1（3 V寬電壓窗口）。

圖文解析

圖1：材料形貌與孔結(jié)構(gòu)調(diào)控

圖（a）是FJH-AC形成機制示意圖，展示了不同KOH比例（X=1,2,3）對孔結(jié)構(gòu)的影響，X=2（1:1）時形成最優(yōu)貫穿孔網(wǎng)絡(luò)。圖（b）TF-AC的SEM顯示管式爐制備的樣品表面粗糙，3D結(jié)構(gòu)破壞，無明顯孔道。圖（c-e）FJH-AC-X的SEM顯示，F(xiàn)JH-AC-1呈現(xiàn)顆粒狀形貌，KOH分散為小液滴，形成微孔。FJH-AC-2呈現(xiàn)均勻的多孔結(jié)構(gòu)，連通微孔-介孔-大孔網(wǎng)絡(luò)，利于離子傳輸。FJH-AC-3顯示KOH過量導致部分孔結(jié)構(gòu)坍塌。（f）是TEM圖，展示了FJH-AC-2的無定形碳結(jié)構(gòu)，存在微孔和介孔，無清晰晶格條紋。圖（g）是元素分布圖，結(jié)果顯示C、O、N均勻分布，證實雜原子成功摻雜。

圖2. 物化性質(zhì)分析

圖（a）XRD譜圖顯示，所有樣品在23°和44°處呈現(xiàn)寬峰（（002）和（001）晶面），表明高缺陷度和非晶態(tài)特征。圖（b）拉曼光譜中，ID/IG值（FJH-AC-2=0.83）低于TF-AC（1.24），說明FJH樣品石墨化程度更高，孔結(jié)構(gòu)更優(yōu)。圖（c）N?吸附-脫附曲線顯示，TF-AC的H3型滯后環(huán)表明狹縫孔結(jié)構(gòu)；FJH-AC-2的H4型滯后環(huán)表明球形/圓柱形貫通孔，與SEM觀察一致。所有樣品在低壓區(qū)（P/P? <0.1）陡升，證實豐富微孔存在。圖（d）離子去溶劑化示意圖中，可以看到超微孔（<0.7 nm）匹配水合K?（0.63 nm）和OH?（0.6 nm）尺寸，促進去溶劑化，縮短雙電層距離。（f-h）XPS圖表明，C1s、N1s、O1s譜顯示豐富的含氧/氮官能團，增強親水性和贗電容。

圖3. 三電極體系電化學性能

三電極測試（圖a-b）顯示，F(xiàn)JH-AC-2在1 A g?1下的比電容達313.7 F g?1，較TF-AC（140.8 F g?1）提升123%，這是雜原子偽電容貢獻（19%）和分級孔結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)。Nyquist圖顯示（圖c），JH-AC-2電荷轉(zhuǎn)移電阻（Rct=0.22 Ω）最小，離子擴散阻抗低。圖（d）Bode圖顯示， FJH-AC-2弛豫時間（τ?=1.21 s）最短，離子傳輸速率最快。圖（e）倍率性能測試中，F(xiàn)JH-AC-2在100 A g?1下仍保持62.5%容量（200.2 F g?1）。（f）圖是不同電流密度GCD曲線，結(jié)果顯示FJH-AC-2在高電流下仍保持對稱性。（g）圖為不同掃速CV曲線，隨掃速增加矩形形狀保持良好，象征著材料的快速電荷存儲能力。（h-i）圖為電容貢獻分析，在3 mV s?1時，雙電層電容占比85.38%，贗電容占比14.62%；低掃速（1 mV s?1）下贗電容貢獻提升至19%。

圖4. 對稱超級電容器性能

圖（a）為器件組裝示意圖，F(xiàn)JH-AC-2作為正負極，6 M KOH電解液。圖（b）GCD曲線顯示，F(xiàn)JH-AC-2器件比電容達107.8 F g?1，遠高于TF-AC（30.1 F g?1）。圖（c）CV曲線顯示，接近理想矩形，無氧化還原峰。（d）循環(huán)穩(wěn)定性顯示，10,000次循環(huán)后容量保持率99.8%，庫侖效率>98%。圖（e-f）是有機電解液性能測試，電壓窗口擴展至3 V，比電容185.4 F g?1（1 A g?1），在實際應(yīng)用中兩節(jié)紐扣電池可點亮LED燈泡。（g）是Ragone圖，在1 M TEATFB/AN中能量密度達57.8 Wh kg?1，優(yōu)于多數(shù)文獻報道值。

總結(jié)與展望

本研究通過閃蒸焦耳加熱（FJH）技術(shù)，在20秒內(nèi)高效制備了具有分級孔結(jié)構(gòu)和富雜原子特征的煤基活性炭（FJH-AC-2）。

1. 超快制備：快速焦耳加熱（FJH）20秒完成活化，產(chǎn)率71.3%，效率較傳統(tǒng)管式爐提升百倍，且能耗顯著降低。為煤炭資源的高值化利用提供了新范式。

2. 結(jié)構(gòu)優(yōu)勢：分級貫穿孔（微孔<0.7 nm + 介孔/大孔）促進離子傳輸（Rct=0.22 Ω）。高比例雜原子摻雜（N 3.32%，O 24.18%）增強導電性與贗電容（貢獻19%）。

3. 性能卓越：比電容313.7 F g?1（1 A g?1），有機電解液中能量密度57.8 Wh kg?1（3 V），10,000次循環(huán)容量保持率99.8%。

本研究為碳基電極材料的綠色、高效制備提供了新范式，同時通過結(jié)構(gòu)-性能協(xié)同設(shè)計，推動了高能量密度超級電容器的實際應(yīng)用，為高性能超級電容器提供高效、綠色的材料制備新策略。

通訊作者簡介

郭繼璽，新疆大學化學學院教授，博士研究生導師，現(xiàn)為先進功能材料自治區(qū)重點實驗室主任、新疆煤基炭功能材料自治區(qū)創(chuàng)新團隊負責人，2012年入選香江學者計劃、2013年獲自治區(qū)杰出青年自然科學基金資助，2023年獲天山英才科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才項目支持。先后主持國家自然科學基金、自治區(qū)自然科學基金、自治區(qū)高校成果轉(zhuǎn)化等20余項課題研究，主要從事碳基功能材料、煤炭高附加值利用相關(guān)研究，圍繞煤炭清潔高效利用研究開發(fā)中亟待解決的關(guān)鍵科學問題開展研究工作，取得了系列原創(chuàng)性的研究成果，并受到國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注和高度評價，在Energy Environ. Sci., ACS Energy Lett., Appl. Catal. B Environ., Small, Chem. Sci., Chem. Eng. J.等重要學術(shù)期刊上發(fā)表SCI收錄學術(shù)論文100余篇，他引2000余次；申請國家發(fā)明專利10項，授權(quán)4項。相關(guān)研究成果獲2020年自治區(qū)自然科學一等獎，獲2016、2011年自治區(qū)科技進步一等獎，獲2019年自治區(qū)第十屆高等教育教學成果一等獎，獲自治區(qū)自然科學優(yōu)秀論文一等獎2項、二等獎各1項。

 吳雪巖，新疆大學化學學院教授，碩士生導師，主要從事碳基功能材料的可控合成與應(yīng)用研究，先后主持國家自然科學基金青年基金、國家自然科學基金重點項目子課題、科技部重點研發(fā)項目子課題、自治區(qū)自然科學基金等科研項目10余項。2019年入選自治區(qū)天池博士計劃，2020年入選天山青年計劃，2024年入選“天山英才”青年拔尖人才。先后在Nat. Commun; Chem. Sci.; Chem. Eng. J.; Small; J. Mater. Chem .C; Carbon; Mater. Chem. Front.等重要學術(shù)期刊上發(fā)表SCI收錄學術(shù)論文50余篇，他引1500余次，其中高被引論文2篇，申請國家發(fā)明專利5項，授權(quán)2項。

本文實驗中使用的焦耳加熱裝置為合肥原位科技有限公司研發(fā)，感謝老師支持和認可。

焦耳加熱裝置

焦耳加熱裝置是一種新型快速熱處理/合成的設(shè)備，該設(shè)備可使材料在極短（毫秒級/秒級）時間內(nèi)達到極高的溫度（1000~3000℃），升溫速率最快可達到10000k/s；通過對材料的極速升溫，可考察材料在極端環(huán)境、劇烈熱震情況下的物性改變，可通過極速升降溫制備納米尺度顆粒，單原子催化劑，高熵合金等。目前廣泛應(yīng)用在電池材料、催化劑、碳材料、陶瓷材料、金屬材料、塑料降解、生物質(zhì)等領(lǐng)域。