【文献速递】新疆大学JES：4秒极速造碳！离子尺寸精准匹配多孔碳，打造高性能对称超级电容器

📅 发表时间：2026 年 6 月 11 日在线刊出，期刊卷 173，文章编号 123120📜 发表期刊：Journal of Energy Storage｜2026 最新影响因子 IF=6.4

🎓 文章标题：Ultrafast pore-structure regulation enables ion-size-matched porous carbon for high-performance symmetric supercapacitors

👥 研究团队：新疆大学碳基能源资源化学与利用国家重点实验室杨正龙、吴雪燕、郭继喜等课题组

🎯 核心突破

超快速制备工艺：闪蒸焦耳加热 (FJH) 仅需 4 秒成型分级多孔碳，传统碳化活化耗时数小时，大幅降低能耗与时间成本

精准孔径匹配：可控生成 0.76 nm 超微孔 + 1.3 nm 介孔，完美适配水系、有机电解液离子，通过离子部分脱溶剂效应大幅提升电容

原位氮氧共掺杂：前驱体自带 N、O 元素，无需额外掺杂改性，同步提升材料导电性、电解液浸润性，额外产生赝电容储能位点

器件性能优异：有机电解液对称器件实现 2.4 V 宽电压窗口，能量密度 30.17 Wh/kg，10000 次循环后容量保持率高达 99.81%

一、研究背景：传统碳电极为啥储能拉胯？

超级电容器有着充电速度快、循环寿命超长的优势，是储能领域热门材料，但市面上常规碳电极存在三大致命短板：

孔径分布杂乱：微孔尺寸太小会把电解液离子卡在孔外，孔径过大又无法有效储存电荷，没法和离子尺寸适配；

表面浸润性差：碳骨架缺少氮、氧活性官能团，电解液难以渗透进材料内部，大量孔洞白白浪费；

制备流程冗长：传统高温碳化 + 碱活化需要数小时，工业化生产效率低、能耗高。

这篇研究针对性解决全部痛点，只用 4 秒焦耳闪蒸一步完成精准造孔 + 原位杂原子掺杂，从结构和成分双重优化碳电极性能。

二、材料合成全流程图解

整张图完整展示 FJH-HPC-X 分级多孔碳的三步制备逻辑：

聚合阶段：将 2,6 - 二氨基吡啶 (DAP)、过硫酸铵 APS、二氧化硅小球混合，APS 作为氧化剂，促使 DAP 在 SiO₂小球表面聚合形成富氮含氧高分子 Poly (DAP)，SiO₂充当硬质模具，防止颗粒团聚结块；
管式炉预碳化：混合体系 800℃保温 2 小时，高分子完全碳化生成碳纳米颗粒 CNPs，SiO₂模板稳定嵌在碳内部，为后续造孔预留空间；
4 秒闪蒸焦耳加热：CNPs 与 KOH 活化剂均匀混合，30V 电压极速升温至 800℃，全程仅 4 秒；极速升降温能锁住碳骨架内 N、O 杂原子不流失，最后氢氟酸洗掉 SiO₂模板，得到同时含有微孔、介孔的分级多孔碳 FJH-HPC-X。图右下角图例标注：灰色代表碳、蓝色代表氮、红色代表氧，直观证明氮氧元素均匀分散在碳骨架中。

三、微观形貌观测

逐张子图拆解讲解：

(a) 原始 CNPs：未经过焦耳闪蒸处理的原料，颗粒严重结块，表面几乎无孔洞，可接触电解液的比表面积极低，储能先天不足；

(b) FJH-HPC-1（碳碱质量比 5:1，活化剂过少）：KOH 腐蚀力度不足，材料孔洞稀少，大部分碳颗粒为实心结构，离子传输通道匮乏；

(d) FJH-HPC-3（碳碱质量比 3:1，活化剂过量）：KOH 过度腐蚀碳骨架，结构大面积破碎塌陷，有效活性面积反而下降；

(e)(f) FJH-HPC-2 透射电镜 TEM 图：放大至纳米尺度可清晰区分蓝色介孔、红色微孔，两种孔洞互相连通，给电解液离子提供高速穿梭通道；

(g) EDS 元素分布图：红色碳、绿色氮、黄色氧三张图谱均匀铺满整片材料，证明 N、O 不是仅附着在材料表面，而是均匀掺杂进碳骨架内部。

四、材料结构与核心储能机理

整张图分为四大模块，一次性看懂材料内在优势：

XRD (a)+ 拉曼光谱 (b)：所有样品仅出现无定形碳宽衍射峰，碳内部缺陷丰富；最优样品 FJH-HPC-2 的 D/G 峰比值适中，同时存在导电石墨微区与大量储能缺陷，兼顾导电性与储电能力；

红外光谱 (c)+XPS 精细谱 (d-g)：碳骨架布满 C-O、C-N、C=O 含氧氮官能团；吡啶 N、吡咯 N 分布在碳边缘，提供赝电容；石墨 N 嵌入碳晶格，提升导电性能；氧官能团大幅改善亲水性，水滴接触角从 113.4° 降至 48.4°；

氮气吸附 - 脱附 (h)+ 孔径分布 (i)：最优样品同时存在 0.76 nm 超微孔、1.3 nm 介孔，比表面积达 457 m²/g，孔径尺寸刚好匹配有机电解液中 TEA⁺(1.3 nm)、BF₄⁻(1.1 nm) 两种离子；

离子脱溶剂机理图 (j)（全文核心创新点）

大孔 d₁：离子带着完整溶剂分子自由进出，双电层厚度大，电容偏低；

匹配孔径 d₂：离子进入孔道时被迫脱去部分溶剂，离子核心贴近碳电极表面，双电层变薄，电容显著提升；

过小微孔 d₃：离子脱溶剂需要极高能量壁垒，离子无法进入孔洞，活性位点完全浪费。

一句话总结核心逻辑：碳孔尺寸和电解液离子 "门当户对"，储能效率才能最大化。

五、三电极单电极电化学测试

实验采用 6 M KOH 水系电解液测试单电极储能能力，数据全面领先对照组：

(a) GCD 充放电曲线：FJH-HPC-2 曲线呈标准对称三角形，1 A/g 电流密度下比电容高达 406.9 F/g，远高于原始 CNPs（113.3 F/g）、活化剂过多 / 过少样品；

(b) CV 循环伏安曲线：FJH-HPC-2 矩形面积最大，储能容量最高，储能以双电层为主，杂原子带来少量赝电容增益；

(d) 倍率性能曲线：电流密度从 1 A/g 提升至 20 A/g，电容衰减幅度很小，快充快放性能优异；

(g-i) 储能机制定量分析：log (i)-log (v) 拟合斜率接近 1，证明储能以表面离子吸附的双电层机制为主；30 mV/s 扫速下 77.27% 容量来自双电层，剩余容量由 N/O 杂原子赝电容协同贡献。

六、对称电容器器件实测

将 FJH-HPC-2 同时作为正负极，组装对称纽扣电容器，分别测试水系、中性、有机三类电解液，验证实际应用价值：

(a) 器件组装示意图：两片多孔碳电极中间隔隔膜浸泡电解液，分级孔加速离子传输，氮氧掺杂优化界面电荷转移；

(b-e) 水系 KOH、中性 Na₂SO₄电解液测试：充放电曲线规整可逆，适合低成本民用储能场景；

(f-g) TEATFB / 有机电解液测试（核心亮点）：器件电压窗口拓宽至 2.4 V，1 A/g 下器件比电容 176.2 F/g，实物可直接点亮 LED 小灯泡；

(h) 循环稳定性曲线：2 A/g 电流持续充放电 10000 次，容量保持率 99.81%，循环衰减几乎可以忽略；

(i) Ragone 能量功率对比图：功率密度 1200 W/kg 时，能量密度可达 30.17 Wh/kg，性能优于同期大量碳基超级电容器文献报道。

七、全文总结三大核心创新优势

制备效率大幅提升传统碳化活化工艺耗时数小时，本文闪蒸焦耳加热仅 4 秒完成造孔，极大缩减生产时长、降低工业化能耗；

孔径精准可控适配离子定向生成 0.76 nm 超微孔 + 1.3 nm 介孔分级结构，适配水、有机两类电解液离子，依靠离子部分脱溶剂效应从根源提升电容；

一步原位氮氧共掺杂碳前驱体自带氮、氧元素，无需后续额外改性，杂原子均匀分布在碳骨架，同时提升导电能力、电解液浸润性，额外提供赝电容储电位点。

整体来看，本研究提供了一套快速、简易、可规模化制备高性能碳电极的全新方案，制备的材料同时具备高比电容、优异倍率性能、超长循环寿命，高电压有机对称器件突破传统碳材料能量密度短板，为高性能超级电容器电极开发提供新思路。