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新疆大学JES：焦耳热4 秒“定制”离子通道并让多孔碳兼具高比电容与高能量密度
1. 背景多孔碳是超级电容器最常用的电极材料之一其性能高度依赖孔结构、表面化学和导电网络。微孔提供电荷储存界面介孔承担离子快速传输通道但孔径若与电解液离子尺寸不匹配过窄会提高去溶剂化能垒过宽则降低单位面积电荷密度。与此同时N/O 等杂原子可改善润湿性、电子结构和赝电容贡献。因此如何在极短时间内同步实现分级孔调控、离子尺寸匹配和杂原子保留是构筑高性能碳基超级电容器的关键。2. 论文概要本研究中新疆大学郭继玺教授、吴雪岩教授团队以 2,6-二氨基吡啶DAP和过硫酸铵APS形成的 N/O 富集聚合物为前驱体结合 SiO2 硬模板、KOH 活化和闪蒸焦耳热FJH在 4 s 内制备出 N/O 共掺杂分级多孔碳 FJH-HPC-X。通过调节 CNPs:KOH 质量比作者获得孔径分布更适配 K/OH- 以及 TEA/BF4- 等离子的 FJH-HPC-2其比表面积达 457 m2 g-1总孔容为 0.81 cm3 g-1并保留 10.38% N 和 34.50% O。三电极体系中FJH-HPC-2 在 1 A g-1 下比电容达 406.9 F g-1循环 10000 次后容量保持率为 99.81%对称器件在 1 M TEATFB/AN 中实现 2.4 V 工作窗口并在 1200 W kg-1 下输出 30.17 Wh kg-1 的能量密度。3. 图文解读示意图1. FJH-HPC-X 的制备流程示意图1 概括了材料构筑路线DAP 在 APS 氧化条件下于胶体 SiO2 表面聚合先经 800 ℃ 管式炉碳化 2 h 得到碳纳米颗粒再与 KOH 混合后进行 800 ℃、4 s 闪蒸焦耳热处理形成 FJH-HPC-X。正文进一步说明FJH 条件为 30 V、380 A平均升温速率约 200 ℃ s-1初始瞬时升温速率可达 1000 ℃ s-1这种快速升温-冷却过程既促进 KOH 刻蚀形成微/介孔又有助于保留 N/O 杂原子和表面官能团。图 1. CNPs 与 FJH-HPC-X 的形貌及元素分布图 1 显示 KOH 用量对孔结构形成具有窗口效应低 KOH 含量下结构基本保留适中 KOH 含量得到形貌较均一、孔结构发达的 FJH-HPC-2过量 KOH 则导致过度活化和结构坍塌。TEM 进一步证明 FJH-HPC-2 具有分级多孔碳结构可缩短离子扩散路径并增加可接触活性界面EDS 映射中 C、N、O 均匀分布说明 N/O 共掺杂在快速活化过程中得以保留。图 2. 结构、表面化学、孔径分布与离子去溶剂化机制图 2 建立了“结构-孔径-离子传输”证据链XRD 和 Raman 表明样品以缺陷丰富的无序碳为主同时 FJH-HPC-2 具有局域石墨化微区有利于电子传输FT-IR 和 XPS 证明其含 C-N、C-O、CO 及 N-6/N-5/N-Q 等功能结构兼顾润湿性、活性位点和导电性。N2 吸附显示 FJH-HPC-2 具备微孔/介孔共存的分级孔结构孔径中低于 0.76 nm 的超微孔与约 1.3 nm 的介孔分别对应水系小离子和有机电解液 TEA/BF4- 的传输/去溶剂化需求示意图强调孔径匹配可促使部分去溶剂化使离子更接近电极表面从而提升电容。图 3. 三电极体系中的电化学性能与储能机制图 3 表明 FJH-HPC-2 在 6 M KOH 三电极体系中性能最优1 A g-1 下比电容达 406.9 F g-1明显高于 CNPs、FJH-HPC-1 和 FJH-HPC-3Nyquist 拟合显示其等效串联电阻 Rs 仅 0.38 Ω、Rct 为 0.06 Ω说明电子/离子传输阻力低。log(i)-log(v) 的 b 值接近 1表明储能主要由表面控制的双电层吸附/脱附主导同时 N/O 官能团提供一定赝电容贡献在 30 mV s-1 下电容控制贡献为 77.27%随扫描速率升高进一步占优。图 4. FJH-HPC-2 对称器件在不同电解液中的表现图 4 展示了 FJH-HPC-2 的器件应用能力以 FJH-HPC-2 同时作为正负极组装对称器件后在 6 M KOH 和 1 M Na2SO4 中均呈现较对称 GCD 曲线和类矩形 CV 曲线说明界面动力学快、可逆性好在 1 M TEATFB/AN 有机电解液中器件工作电压拓展至 2.4 V比电容为 176.2 F g-1并可点亮 LED。循环测试显示其在 2 A g-1 下 10000 次后容量保持率为 99.81%Ragone 图则给出 30.17 Wh kg-1 的能量密度和 1200 W kg-1 的功率密度验证了 FJH-KOH 活化策略的综合优势。4. 总结展望这项工作的重要贡献在于把闪蒸焦耳热的超快热场与 KOH 活化、SiO2 硬模板和 N/O 共掺杂结合起来在秒级时间内实现分级孔构筑、离子尺寸匹配和杂原子保留的协同调控。FJH-HPC-2 的性能提升并非单一来源于比表面积增加而是来自微孔储能、介孔传输、孔径诱导部分去溶剂化、N/O 官能团润湿/赝电容以及局域石墨化导电网络的共同作用。未来若能进一步放大连续制备、精确量化不同电解液中的去溶剂化能垒并验证厚电极和实际软包/扣式器件中的倍率与寿命表现该策略有望成为快速制备高性能碳基超级电容器电极的通用方法。参考论文Zhenglong Yang, Hongxia Gao, Xueyan Wu, Meiqi He, Chenchen Liu, Mingle Zhang, Rui Xue, Xin Cao, Zhongxue Tang, Jixi Guo,Ultrafast pore-structure regulation enables ion-size-matched porous carbon for high-performance symmetric supercapacitors,Journal of Energy Storage,Volume 173,2026,123120,ISSN 2352-152X, https://doi.org/10.1016/j.est.2026.123120.
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