【前沿技术】新疆大学：超快制备煤基分级孔碳实现高能超级电容器

材料制备与结构表征

如示意图 1所示，FJH-AC-2的制备基于闪蒸焦耳加热（FJH）技术，通过200 K s⁻¹的瞬时升温速率，使KOH与氧化煤（OC）快速反应形成分级孔隙结构。相较于管式炉法（TF-AC），FJH的快速冷却特性抑制了孔隙过度生长，产率高达71.3%（TF-AC仅为33.9%）。

图1a-e的SEM图像显示，随着KOH比例增加，FJH-AC的孔隙尺寸逐渐增大，其中FJH-AC-2（mOC:mKOH=1:1）呈现贯穿的微孔-介孔-大孔网络（图1d）。TEM分析（图1f）进一步证实其非晶态碳特征，且元素分布图（图1g）显示C、O、N的均匀掺杂，表明杂原子成功引入碳骨架，增强了材料亲水性和导电性。

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，表明材料具有高缺陷密度和非晶化特征。拉曼光谱（图2b）中ID/IG值（FJH-AC-2为0.83）低于TF-AC（1.24），说明FJH工艺减少石墨化缺陷，同时保留更多活性位点。FTIR（图S7）和XPS（图2f-h）分析表明，FJH-AC-2表面富含C-O（286.2 eV）、C=O（287.1 eV）、N-5（400.1 eV）和N-Q（402.2 eV）官能团，其氧含量（24.18%）和氮含量（3.32%）显著高于TF-AC（表S3-S5）。接触角测试（图2e）显示FJH-AC-2接触角为90°，远低于TF-AC（130°），证实杂原子掺杂有效提升表面润湿性。

孔隙结构优化与离子传输机制

氮气吸附-脱附等温线（图2c）表明，FJH-AC-2具有I/IV型复合曲线，低相对压力（P/P₀<0.1）下的陡峭吸附表明其富含微孔（比表面积1039 m²/g），而高相对压力（0.4 < P/P₀ < 1）的H4型滞后环对应球形/圆柱形孔隙（图S6），与SEM观察的贯穿孔结构一致。孔径分布（PSD）显示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）的尺寸匹配（图2d），促进脱溶剂化效应，降低双电层厚度，从而提升比电容。相比之下，TF-AC因长时间活化导致超微孔减少，介孔比例增加（SSA 1313 m²/g），反而因离子传输阻力增大而降低电化学性能。

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下的比电容达313.7 F g⁻¹，较TF-AC（140.8 F g⁻¹）提升123%，归因于杂原子伪电容贡献（19%）和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）最低，Bode图（图3d）显示其弛豫时间（τ₀=1.21 s）最短，表明贯穿孔显著加速离子传输。倍率性能测试（图3e）中，FJH-AC-2在100 A g⁻¹下仍保持62.5%容量，优于同类材料。

对称超级电容器测试（图4a-c）中，FJH-AC-2在6 M KOH中循环10000次后容量保持率99.8%（图4d），库仑效率>98%。采用1 M TEATFB/AN有机电解液时（图4e-f），其电压窗口扩展至3 V，能量密度达57.8 Wh kg⁻¹（功率密度748.5 W kg⁻¹），优于多数文献报道（图4g）。该性能突破得益于高杂原子含量拓宽了电化学窗口，同时分级孔结构在有机电解液中仍保持高效离子传输。