近日，山西大学朱胜、韩高义教授团队在《ACS Materials Letters》上发表了题为“One-Pot Ultrafast Molten-Salt Synthesis of Anthracite-Based Porous Carbon for High-Performance Capacitive Energy Storage”的论文，使用了“一锅法超快速熔盐合成”的方法来合成基于无烟煤的多孔碳材料，并结合了高温热冲击（HTS）策略，900℃下，6秒内合成了多孔碳材料。

【总结】

（1）一锅法超快速熔盐合成：提出了一种结合高温热冲击（HTS）策略的“一锅法超快速熔盐合成”方法，显著缩短了反应时间（从传统方法的数小时减少到仅6秒），大幅提高了合成效率。

（2）高效利用廉价原材料：使用廉价且广泛分布的无烟煤作为碳源，通过创新的合成方法将其高效转化为高性能多孔碳材料，实现了煤资源的高附加值利用。

（3）显著提高的比表面积和电化学性能：通过超快速熔盐法合成的多孔碳材料（HPC）比表面积高达1338 m²/g，远高于传统方法制备的材料（688 m²/g）。在6 mol/L KOH电解液中，HPC的比电容达到284.6 F/g，显著优于传统方法制备的材料（175.5 F/g），表现出卓越的电化学性能。

（4）低能耗和环保：该合成方法不仅快速高效，还显著降低了能耗和环境污染，相较于传统的熔盐法，提供了一种更绿色环保的合成途径。

（5）多电解质体系中的优异性能：HPC在不同电解质体系（如KOH、NaClO4、TEABF4/AN）中均表现出优异的电化学性能，尤其在有机电解液中，工作电压扩展至3.0 V，能量密度达到43.9 Wh/kg，功率密度为375 W/kg，展示了广泛的应用潜力。

（6）结构优化和孔径调控：通过高温热冲击（HTS）策略，成功制备出具有明确纳米片结构和丰富微孔结构的多孔碳材料，这种结构有利于离子传输和电荷存储，显著提高了材料的电化学性能。

（7）优异的循环稳定性：HPC材料在多种电解质环境下均表现出优异的循环稳定性和库仑效率，在10000次充放电循环后，容量保持率接近100%，展现了卓越的耐久性。

图1. 合成无烟煤基多孔碳的两种不同方法

【研究背景】

（1）超级电容器因其快速充放电、高功率密度和长循环寿命而备受关注。其电荷存储主要依赖于电化学双层电容（EDLC）机制，常用的电极材料为多种纳米结构的碳材料。

（2）多孔碳材料因其大的比表面积和多孔通道在超级电容器电极中表现出色，这些特性提供了充足的电荷存储位点并促进了离子传输。提高EDLC容量和能量密度的关键是创建高孔隙率的电极材料，这有助于扩展电荷存储位点并缩短质量传输路径。

（3）无烟煤是一种廉价且广泛分布的矿物，含碳量超过90%，具有丰富的碳骨架，因而作为多孔碳材料的碳源具有独特优势。将无烟煤转化为新型能量存储材料，有助于煤资源的高附加值利用，因而引起了广泛的研究兴趣。

（4）通常，无烟煤基多孔碳的合成需要使用强氧化剂或活化剂，使反应过程具有腐蚀性和/或危险性。传统的熔盐合成方法尽管是一种绿色方法，但通常需要长时间高温（600至1200℃）的热解过程，耗时耗能。

（5）需要开发更高效且简便的熔盐法，减少结构可控的多孔碳材料合成过程中的时间和能源消耗。

（6）本研究提出了一种结合高温热冲击策略的一锅法超快速熔盐合成方法，以期解决传统方法的不足，提供一种高效、环保的多孔碳材料合成途径。

【研究方法】

（1）材料准备：将无烟煤与KCl/K2CO3二元盐混合均匀。

（2）加热处理：将混合物从室温快速加热到900℃，整个加热过程仅用时800毫秒。

（3）反应过程：在900℃下进行3秒的超快速加热，使二元盐熔化并与无烟煤反应，形成多孔碳材料。反应过程中，K2CO3作为活化剂，产生大量微孔。

（4）冷却：反应完成后，快速冷却（冷却速率为500 K/s），固化熔融盐并形成多孔结构。

（5）分析表征：使用热重分析-质谱-红外光谱（TG-MS-IR）耦合技术研究混合物的热动力学特性和气体排放。扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）用于观察多孔碳材料的微观结构。氮气吸附/脱附等温线测试多孔碳的孔径分布和比表面积。X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析（Raman）材料的结构和缺陷。X射线光电子能谱（XPS）研究材料表面元素和键合状态。

（6）电化学性能测试：在6 mol/L KOH电解液中，通过恒电流充放电（GCD）、循环伏安法（CV）、电化学阻抗谱（EIS）测量多孔碳电极的电化学性能。

【研究结果】

（1）材料合成效率高：通过“一锅法超快速熔盐合成”结合高温热冲击（HTS）策略，在不到6秒的时间内，将无烟煤成功转化为多孔碳材料。HTS方法下，多孔碳（HPC）的比表面积达到了1338 m²/g，比传统管式炉法（TPC）的688 m²/g高出一倍以上。

（2）多孔结构优化：HTS方法制备的多孔碳具有明确的纳米片结构和丰富的微孔结构。与传统管式炉法相比，HTS方法生成的多孔碳具有更多的电化学活性位点和更快的离子传输能力。

（3）优异的电化学性能：在6 mol/L KOH电解液中，HPC的比电容为284.6 F/g，显著优于TPC的175.5 F/g。对称超级电容器（HPC//KOH//HPC）在125 W/kg的功率密度下，能量密度达到8.1 Wh/kg，并且在10000次循环后保持98%的容量。

（4）多电解质体系适应性强：在17.0 mol/kg NaClO4电解液中，HPC//NaClO4//HPC设备的工作电压扩大到2.2 V，能量密度达到29.6 Wh/kg，功率密度为16.5 kW/kg。在1.0 mol/L TEABF4/AN有机电解液中，HPC//TEABF4//HPC设备的工作电压扩大到3.0 V，能量密度达到43.9 Wh/kg，功率密度为375 W/kg，且在10000次循环后保持90.1%的初始电容。

（5）稳定性和耐久性：HPC材料表现出卓越的循环稳定性和库仑效率，在多种电解质环境下的10000次充放电循环中，库仑效率接近100%，表现出优异的耐久性。

【展望】

根据研究内容和结果，可以推测一些可能的后续研究方向：

（1）进一步优化合成参数：研究不同熔盐组合和比例对多孔碳材料结构和性能的影响。调整高温热冲击（HTS）的加热速率和时间，以优化材料的孔隙结构和电化学性能。

（2）扩展原材料选择：探索其他廉价、可再生的碳源（如生物质、工业废料）作为原材料，以降低成本并提高环保性。比较不同碳源制备的多孔碳材料的性能差异，找到性能最佳的碳源。

（3）电极材料的功能化：研究多孔碳材料的表面化学修饰，以引入更多的功能性基团（如氮、氧、硫掺杂），提高其电化学活性。开发复合材料，如将多孔碳与导电聚合物、金属氧化物等复合，以进一步提升电极性能。

（4）不同电解质体系的研究：探索多孔碳材料在不同类型电解质（如离子液体、凝胶电解质）中的性能表现，以拓宽其应用范围。优化电解质配方，以提高超级电容器的能量密度和功率密度。

（5）器件组装与性能评估：研究多孔碳材料在实际超级电容器器件中的应用，包括对称和非对称超级电容器的组装。评估器件在不同工作条件（如温度、湿度）下的性能稳定性和耐久性。

（6）理论模拟与机理研究：通过分子动力学模拟和密度泛函理论（DFT）计算，深入理解多孔碳材料的电化学储能机理。模拟不同结构和表面化学特性的多孔碳材料在电极中的离子传输和电荷存储行为，以指导实验设计。

（7）实际应用与产业化前景：评估多孔碳材料在其他能量存储和转换设备（如锂离子电池、钠离子电池、燃料电池）中的应用潜力。研究合成工艺的放大和工业化可行性，推动该技术的实际应用和市场化。

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https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c00275