Best Paper Award
Ultrafastly activated needle coke as electrode material for supercapacitors
超快活化针状焦作为超级电容器的电极材料
天津大学
胡文彬 教授团队
研究背景
目前，超级电容器(SCs)具有生态友好、高电容和良好的存储容量等优点，在工业、军事和汽车领域有着广泛的应用。其电极材料主要有三类：碳材料；导电聚合物；金属氧化物/氢氧化物。电极材料的理化性质很大程度上决定了超级电容器的电化学性能。由于碳基材料具有较高的化学/热稳定性，和优异的导电性，是电容器工业化中最广泛的研究和应用材料。
碳材料中，多孔碳具有高比表面积、高导电性、优良的循环稳定性和低廉的价格等优点，被广泛用作双层电容器的电极材料。但如何以一种简单、快速、经济的方法合成具有强循环稳定性和高能量密度的碳材料在工业上仍然是一个挑战。
研究方法及亮点
本研究以针状焦炭为前驱体，KOH为活化剂，在真空条件下采用快速高温冲击策略合成活化多孔碳。瞬时加热(升温速率≈400℃/s)和快速冷却可形成均匀的多孔结构。该反应控制在10s内完成，大大缩短了活性炭的生产时间，提高了生产效率。
实验结果解析
图1. 图1a显示了高温加热过程中温度随时间的变化。快速加热导致温度以400°C s−1的速度升高，120 s的短暂保温时间足以完成反应。与传统耗时、低效的管式炉制造相比，快速高温超导技术具有高效、超快制造的独特优势；
图1c为快速KOH活化后HTS-APC的基本形态，与原料相比，HTS-APC表面出现了多处裂缝，褶皱均匀致密，大大提高了碳材料的比表面积。
图2. 图2a,2b 证明了大部分孔隙为微孔和中孔，可以为离子提供足够的吸附活性位点和快速的运输通道。孔隙结构使HTS-APC具有优异的电容性能。
图3. 采用三电极体系研究了三种样品的电化学性能。
3a显示HTS-APC具有最高的绝对积分面积，其比电容最大；3b显示HTS-APC样品的CV曲线形状在5 ~ 100 mV/s范围内保持良好的矩形形状，表明材料具有良好的电荷转移动力学; 3c显示的GCD曲线，证明三种样品具有典型的EDLC特性和良好的可逆充放电行为；3f显示了三种样品在10 A g−1条件下10000次循环后的循环速率性能，HTS-APC的容量保留率最高(99.34%)。
实验总结与结论
本文研究者以高温冲击策略成功合成了以针状焦为前驱体的多孔碳材料，并证实了其作为超级电容器电极材料的应用潜力。
高温冲击技术有助于多孔碳结构的合成。此外，受益于快速加热冷却和短期保温的特点，孔隙结构的大小相对均匀和合适。高温冲击法制备的多孔碳具有较大的比表面积、适宜的孔径分布和三维体结构，为离子的输运提供了最佳途径。
活化多孔碳不仅用于储能装置，在催化和有害气体吸附等领域也有广阔的应用前景。HTS法制备的活化多孔碳性能优于传统制备法，也优于商品样品YP50F。因此，这一快速、高效、经济生产活化多孔碳的新型方法，能够促进活化多孔碳向高效、环保的方向发展。
引用此文章
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2022.10.008
作者简介
胡文彬，天津大学材料科学与工程学院教授，主要研究方向为湿法冶金与材料制备科学、材料表面结构与功能一体化、微纳材料的控形控性制备与应用、能源新材料等，先后承担了国家杰出青年基金、国家“863”计划、国家自然科学基金重点等项目30余项，获国家科技进步二等奖1项(排名第一)，省部级一等奖2项(排名第一)，是科技部及天津市重点领域创新团队负责人。在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等国际知名刊物发表论文300余篇，申请国家发明专利60余项，授权24项，出版中英文学术专著或教材4部。担任国际电化学能源科学院(IAOEES)理事会委员，中国材料研究学会青年委员会高级理事、腐蚀与防护学会常务理事。
期刊简介
Progress in Natural Science: Materials International(PNSMI)由中国材料研究学会主办，是一本综合类英文SCI学术期刊，刊登材料科学领域的基础研究和应用基础研究方面的高水平、有创造性和重要意义的最新研究成果。
2023年最新影响因子4.8，分区为中科院材料科学二区。入选2019年中国科技期刊卓越行动计划，2022、2023连续两年获评中国最具国际影响力学术期刊。
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