应用成果

DOI:10.1016/j.jpowsour.2025.237129

全文速览

本文通过快速焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）技术，在20秒内快速制备了具有贯穿孔结构的氮/氧共掺杂煤基多孔碳材料（FJH-AC-2）。该材料具有高比表面积（1039 m² g⁻¹）、丰富的超微孔（<0.7 nm）和分级孔道结构，显著提升了离子传输效率。在6 M KOH电解液中，电极表现出313.7 F g⁻¹的高比电容，组装的对称超级电容器在1 M TEATFB/AN电解液中实现了57.8 Wh kg⁻¹的能量密度和99.8%的循环稳定性（10,000次）。与传统管式炉加热相比，FJH技术大幅缩短制备时间，并保留了更多杂原子，为高性能超级电容器的快速制备提供了新思路。

背景介绍

超级电容器因功率密度高、循环寿命长，在能源存储领域备受关注。然而，传统活性炭（AC）制备依赖高温管式炉，存在能耗高、耗时长（数小时）、孔结构易破坏等问题。此外，高比表面积常导致离子传输阻力增加，限制能量密度提升。本文提出通过FJH技术快速制备具有贯穿孔和杂原子掺杂的煤基多孔碳，解决上述瓶颈。

本文亮点

（1）超快制备：FJH技术仅需20秒完成活化，效率较传统方法提升百倍。

（2）分级多孔结构：分级孔道（微孔-介孔-大孔）缩短离子扩散路径，降低电阻。

（3）高杂原子掺杂：快速加热避免KOH过度刻蚀，氮（3.32%）、氧（24.18%）含量显著高于管式炉样品。

（4）卓越电化学性能：比电容达313.7 F g⁻¹，能量密度57.8 Wh kg⁻¹（3 V宽电压窗口）。

图文解析

图1：材料形貌与孔结构调控

图（a）是FJH-AC形成机制示意图，展示了不同KOH比例（X=1,2,3）对孔结构的影响，X=2（1:1）时形成最优贯穿孔网络。图（b）TF-AC的SEM显示管式炉制备的样品表面粗糙，3D结构破坏，无明显孔道。图（c-e）FJH-AC-X的SEM显示，FJH-AC-1呈现颗粒状形貌，KOH分散为小液滴，形成微孔。FJH-AC-2呈现均匀的多孔结构，连通微孔-介孔-大孔网络，利于离子传输。FJH-AC-3显示KOH过量导致部分孔结构坍塌。（f）是TEM图，展示了FJH-AC-2的无定形碳结构，存在微孔和介孔，无清晰晶格条纹。图（g）是元素分布图，结果显示C、O、N均匀分布，证实杂原子成功掺杂。

图2. 物化性质分析

图（a）XRD谱图显示，所有样品在23°和44°处呈现宽峰（（002）和（001）晶面），表明高缺陷度和非晶态特征。图（b）拉曼光谱中，ID/IG值（FJH-AC-2=0.83）低于TF-AC（1.24），说明FJH样品石墨化程度更高，孔结构更优。图（c）N₂吸附-脱附曲线显示，TF-AC的H3型滞后环表明狭缝孔结构；FJH-AC-2的H4型滞后环表明球形/圆柱形贯通孔，与SEM观察一致。所有样品在低压区（P/P₀ <0.1）陡升，证实丰富微孔存在。图（d）离子去溶剂化示意图中，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，促进去溶剂化，缩短双电层距离。（f-h）XPS图表明，C1s、N1s、O1s谱显示丰富的含氧/氮官能团，增强亲水性和赝电容。

图3. 三电极体系电化学性能

三电极测试（图a-b）显示，FJH-AC-2在1 A g⁻¹下的比电容达313.7 F g⁻¹，较TF-AC（140.8 F g⁻¹）提升123%，这是杂原子伪电容贡献（19%）和分级孔结构的协同效应。Nyquist图显示（图c），JH-AC-2电荷转移电阻（Rct=0.22 Ω）最小，离子扩散阻抗低。图（d）Bode图显示， FJH-AC-2弛豫时间（τ₀=1.21 s）最短，离子传输速率最快。图（e）倍率性能测试中，FJH-AC-2在100 A g⁻¹下仍保持62.5%容量（200.2 F g⁻¹）。（f）图是不同电流密度GCD曲线，结果显示FJH-AC-2在高电流下仍保持对称性。（g）图为不同扫速CV曲线，随扫速增加矩形形状保持良好，象征着材料的快速电荷存储能力。（h-i）图为电容贡献分析，在3 mV s⁻¹时，双电层电容占比85.38%，赝电容占比14.62%；低扫速（1 mV s⁻¹）下赝电容贡献提升至19%。

图4. 对称超级电容器性能

图（a）为器件组装示意图，FJH-AC-2作为正负极，6 M KOH电解液。图（b）GCD曲线显示，FJH-AC-2器件比电容达107.8 F g⁻¹，远高于TF-AC（30.1 F g⁻¹）。图（c）CV曲线显示，接近理想矩形，无氧化还原峰。（d）循环稳定性显示，10,000次循环后容量保持率99.8%，库仑效率>98%。图（e-f）是有机电解液性能测试，电压窗口扩展至3 V，比电容185.4 F g⁻¹（1 A g⁻¹），在实际应用中两节纽扣电池可点亮LED灯泡。（g）是Ragone图，在1 M TEATFB/AN中能量密度达57.8 Wh kg⁻¹，优于多数文献报道值。

总结与展望

本研究通过闪蒸焦耳加热（FJH）技术，在20秒内高效制备了具有分级孔结构和富杂原子特征的煤基活性炭（FJH-AC-2）。

1. 超快制备：快速焦耳加热（FJH）20秒完成活化，产率71.3%，效率较传统管式炉提升百倍，且能耗显著降低。为煤炭资源的高值化利用提供了新范式。

2. 结构优势：分级贯穿孔（微孔<0.7 nm + 介孔/大孔）促进离子传输（Rct=0.22 Ω）。高比例杂原子掺杂（N 3.32%，O 24.18%）增强导电性与赝电容（贡献19%）。

3. 性能卓越：比电容313.7 F g⁻¹（1 A g⁻¹），有机电解液中能量密度57.8 Wh kg⁻¹（3 V），10,000次循环容量保持率99.8%。

本研究为碳基电极材料的绿色、高效制备提供了新范式，同时通过结构-性能协同设计，推动了高能量密度超级电容器的实际应用，为高性能超级电容器提供高效、绿色的材料制备新策略。

通讯作者简介

郭继玺，新疆大学化学学院教授，博士研究生导师，现为先进功能材料自治区重点实验室主任、新疆煤基炭功能材料自治区创新团队负责人，2012年入选香江学者计划、2013年获自治区杰出青年自然科学基金资助，2023年获天山英才科技创新领军人才项目支持。先后主持国家自然科学基金、自治区自然科学基金、自治区高校成果转化等20余项课题研究，主要从事碳基功能材料、煤炭高附加值利用相关研究，围绕煤炭清洁高效利用研究开发中亟待解决的关键科学问题开展研究工作，取得了系列原创性的研究成果，并受到国内外同行的广泛关注和高度评价，在Energy Environ. Sci., ACS Energy Lett., Appl. Catal. B Environ., Small, Chem. Sci., Chem. Eng. J.等重要学术期刊上发表SCI收录学术论文100余篇，他引2000余次；申请国家发明专利10项，授权4项。相关研究成果获2020年自治区自然科学一等奖，获2016、2011年自治区科技进步一等奖，获2019年自治区第十届高等教育教学成果一等奖，获自治区自然科学优秀论文一等奖2项、二等奖各1项。

 吴雪岩，新疆大学化学学院教授，硕士生导师，主要从事碳基功能材料的可控合成与应用研究，先后主持国家自然科学基金青年基金、国家自然科学基金重点项目子课题、科技部重点研发项目子课题、自治区自然科学基金等科研项目10余项。2019年入选自治区天池博士计划，2020年入选天山青年计划，2024年入选“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.等重要学术期刊上发表SCI收录学术论文50余篇，他引1500余次，其中高被引论文2篇，申请国家发明专利5项，授权2项。

本文实验中使用的焦耳加热装置为合肥原位科技有限公司研发，感谢老师支持和认可。

焦耳加热装置

焦耳加热装置是一种新型快速热处理/合成的设备，该设备可使材料在极短（毫秒级/秒级）时间内达到极高的温度（1000~3000℃），升温速率最快可达到10000k/s；通过对材料的极速升温，可考察材料在极端环境、剧烈热震情况下的物性改变，可通过极速升降温制备纳米尺度颗粒，单原子催化剂，高熵合金等。目前广泛应用在电池材料、催化剂、碳材料、陶瓷材料、金属材料、塑料降解、生物质等领域。