新疆大学J. Power Sources：闪蒸焦耳加热技术助力煤基分级孔碳，赋能高能超级电容器

三电极测试（图 3a-b）显示 FJH-AC-2 在 1 A g⁻¹ 下的比电容高达 313.7 F g⁻¹，较 TF-AC 的 140.8 F g⁻¹ 提升了 123%，这主要归功于杂原子伪电容贡献（19%）与分级孔结构的协同效应。Nyquist 图（图 3c）中 FJH-AC-2 的等效串联电阻（Rs = 0.42 Ω）和电荷转移电阻（Rct = 0.22 Ω）均为最低，Bode 图（图 3d

焦耳加热

1551人浏览 · 2025-04-28 11:54:54

焦耳加热 · 2025-04-28 11:54:54 发布

导语

在全球能源结构转型的浪潮中，高效储能技术的开发成为缓解化石能源危机和应对环境挑战的关键所在。超级电容器凭借其快速充放电能力以及长循环寿命，在可再生能源存储和电动汽车等领域展现出巨大的应用潜力。活性炭（AC）作为当前主流的电极材料，其性能在很大程度上依赖于孔隙结构：微孔能够提供高比表面积，而介孔与大孔则有利于离子传输。然而，传统高温活化工艺存在耗时长（数小时）、能耗高，并且易破坏超微孔结构等问题，同时还会导致杂原子（如氮、氧）流失，严重制约了电容性能和能量密度的提升。因此，如何在短时间内制备出既具有高孔隙连通性又能保留杂原子的活性炭，成为了学术界和产业界亟待解决的难题。目前的研究大多集中在孔隙调控或杂原子掺杂的单点优化上，但能够同时解决制备效率与结构完整性问题的系统性方案仍然缺乏。

近期，新疆大学的研究团队在《Journal of Power Sources》上发表题为 “Ultrafast activation to form through-hole carbon facilitates ion transport for high specific capacity supercapacitors” 的研究成果，提出了一种创新方法，利用闪蒸焦耳加热（FJH）技术，以氧化煤为前驱体，在短短 20 秒内快速制备出具有分级通孔网络和富杂原子结构的活性炭，为绿色高效制备碳基电极材料开辟了新的路径。

研究亮点

创新制备工艺：采用闪蒸焦耳加热技术，仅需 20 秒即可完成活性炭的制备，相比传统管式炉法大大缩短了时间成本。
结构优化显著：所制备的活性炭（FJH-AC-2）展现出微孔 - 介孔 - 大孔连通结构，有效缩短离子扩散距离，提升离子传输效率。
杂原子保留优异：在快速制备过程中成功保留了高含量的氧（24.18%）和氮（3.32%）元素，显著增强了材料的亲水性和伪电容贡献。
电化学性能卓越：在三电极体系下比电容高达 313.7 F/g（1 A/g），并且在 6 M KOH 电解液中经过 10000 次循环后仍能保持 99.8% 的容量；组装成纽扣电池后，结合 1 M TEATFB/AN 有机电解液，能量密度达到 57.8 Wh/kg（功率密度 748.5 W/kg），同时电压窗口可扩展至 3 V。

图文解读

材料制备与结构表征
示意图 1 展示了 FJH-AC-2 的制备基于闪蒸焦耳加热技术，凭借 200 K s⁻¹ 的瞬时升温速率，促使 KOH 与氧化煤快速反应形成分级孔隙结构。与管式炉法（TF-AC）相比，FJH 的快速冷却特性有效抑制了孔隙过度生长，且产率高达 71.3%，远超 TF-AC 的 33.9%。

1. 图 1a-e 的 SEM 图像清晰呈现出随着 KOH 比例增加，FJH-AC 的孔隙尺寸逐渐增大的过程，其中 FJH-AC-2（mOC:mKOH = 1:1）展现出贯穿的微孔 - 介孔 - 大孔网络结构。TEM 分析（图 1f）进一步证实其非晶态碳特征，而元素分布图（图 1g）显示 C、O、N 元素均匀掺杂，表明杂原子成功引入碳骨架，极大增强了材料的亲水性和导电性。

晶体结构与化学组成分析
- XRD 图谱（图 2a）显示所有样品在 23° 和 44° 附近出现（002）和（100）晶面的宽峰，反映出材料具有高缺陷密度和非晶化特征。拉曼光谱（图 2b）中 FJH-AC-2 的 ID/IG 值为 0.83，低于 TF-AC 的 1.24，说明 FJH 工艺不仅能减少石墨化缺陷，还能保留更多活性位点。FTIR 和 XPS（图 2f-h）分析结果显示，FJH-AC-2 表面富含 C-O、C=O、N-5 和 N-Q 等官能团，其氧含量（24.18%）和氮含量（3.32%）均显著高于 TF-AC。接触角测试（图 2e）表明 FJH-AC-2 接触角为 90°，远低于 TF-AC 的 130°，充分证实杂原子掺杂对表面润湿性的显著提升作用。
孔隙结构优化与离子传输机制
- 氮气吸附 - 脱附等温线（图 2c）显示 FJH-AC-2 具有 I/IV 型复合曲线，低相对压力下的陡峭吸附表明其富含微孔（比表面积达 1039 m²/g），而高相对压力下的 H4 型滞后环对应球形 / 圆柱形孔隙，与 SEM 观察的贯穿孔结构高度一致。孔径分布（PSD）表明 FJH-AC-2 中超微孔（< 0.7 nm）占比高，与水合 K⁺（0.63 nm）和 OH⁻（0.6 nm）的尺寸完美匹配，有助于促进脱溶剂化效应，降低双电层厚度，进而提升比电容。反观 TF-AC，因长时间活化致使超微孔减少，介孔比例反而增加，却因离子传输阻力增大而降低了电化学性能。
电化学性能与器件应用
- 三电极测试（图 3a-b）显示 FJH-AC-2 在 1 A g⁻¹ 下的比电容高达 313.7 F g⁻¹，较 TF-AC 的 140.8 F g⁻¹ 提升了 123%，这主要归功于杂原子伪电容贡献（19%）与分级孔结构的协同效应。Nyquist 图（图 3c）中 FJH-AC-2 的等效串联电阻（Rs = 0.42 Ω）和电荷转移电阻（Rct = 0.22 Ω）均为最低，Bode 图（图 3d）显示其弛豫时间（τ₀ = 1.21 s）最短，充分表明贯穿孔结构对离子传输的显著加速作用。倍率性能测试（图 3e）中，FJH-AC-2 在 100 A g⁻¹ 下仍能保持 62.5% 的容量，优于同类材料。
- 对称超级电容器测试（图 4a-c）显示，FJH-AC-2 在 6 M KOH 中循环 10000 次后容量保持率达到 99.8%（图 4d），库仑效率始终大于 98%。当采用 1 M TEATFB/AN 有机电解液时（图 4e-f），其电压窗口可扩展至 3 V，能量密度达到 57.8 Wh kg⁻¹（功率密度 748.5 W kg⁻¹），远超多数文献报道（图 4g）。这些性能突破得益于高杂原子含量对电化学窗口的拓展以及分级孔结构在有机电解液中对高效离子传输的有力维持。

总结展望

本研究借助闪蒸焦耳加热技术，在短短 20 秒内成功制备出具有分级孔结构和富杂原子特性的煤基活性炭（FJH-AC-2）。超微孔（< 0.7 nm）与电解液水合离子尺寸的高度匹配，有效触发脱溶剂化效应，降低双电层厚度；微孔 - 介孔 - 大孔连通网络则大幅缩短离子扩散路径，再结合 3.32% 的氮含量（提升导电性）和 24.18% 的氧含量（增强润湿性）的协同增效作用，使得该材料在三电极体系中实现了高达 313.7 F g⁻¹ 的比电容。对称超级电容器在 6 M KOH 电解液中经过 10000 次循环后，容量保持率依然高达 99.8%，并且基于 1 M TEATFB/AN 有机电解液，能量密度可达 57.8 Wh kg⁻¹（功率密度 748.5 W kg⁻¹），各项性能指标均优于同类研究。此外，该方法还实现了 71.3% 的高产率，并且大幅降低了活化剂用量（较传统管式炉减少 67%），为煤炭资源的高值化利用树立了新的典范。未来的研究可以着重聚焦于 FJH 工艺参数的普适性优化、杂原子构效关系的精准调控，以及该材料在柔性储能器件和极端环境电容器中的集成应用等方面，进一步推动绿色能源存储技术的产业化进程。

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