随着全球对“碳达峰”和“碳中和”目标的追求，减少化石能源使用并大力发展可再生能源变得至关重要。可再生能源行业主要分为生产、储存和利用三个阶段，其中能源的储存和效率是实现工业化的关键挑战。超级电容器（SCs）因其快速充电能力和较高的循环稳定性，在能源储存领域受到广泛关注。
超级电容器可分为电动双层电容器（EDLCs）和赝电容器，其中EDLCs的性能主要依赖于电极与电解质之间的电动双层。电极材料的物理化学性质，尤其是碳材料，对电容器性能有显著影响。多孔碳因其高比表面积、高电导率和优异的循环稳定性而被广泛研究和应用。针状焦作为一种高碳含量、低灰分、具有良好电导率和化学稳定性的碳质前体，是制备多孔碳的理想选择。然而，如何以一种简单、快速且成本效益高的方法合成具有高能量密度和强循环稳定性的碳材料，仍然是当前工业面临的主要挑战。
本研究中，采用了一种创新的快速高温冲击（HTS）策略，在真空条件下以针状焦为前驱体和氢氧化钾为活化剂，成功合成了活化多孔碳（APCs）。该方法利用瞬间加热（加热速率约400°C/秒）和快速冷却，诱导形成了均匀的多孔结构。反应过程控制在10秒内完成，大幅缩短了APCs的生产时间，显著提高了生产效率。
通过HTS策略合成的多孔碳展现出了优异的电化学性能。这项工作提供了一种简便高效的APCs合成方法，为高性能电极材料的快速合成提供了新途径。HTS策略有望为APCs的大规模生产和应用做出重要贡献。这项工作对于电极材料的快速合成具有指导意义，同时也为多孔碳材料的大规模应用提供了指导。
图1展示了HTS过程中温度随时间的变化，其中快速加热以每秒400°C的速率迅速升温，仅需120秒的保温时间即能完成反应，与传统的耗时且效率较低的管式炉制备方法相比，HTS技术在制造效率和速度上具有独特优势。
通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像，观察到针状焦原材料具有典型的流线型片层结构，而经过HTS策略快速活化后的APC（HTS-APC）表面呈现出均匀致密的褶皱，显著提升了碳材料的比表面积。此外，通过能量色散光谱（EDS）映射，证实了HTS-APC中元素的均匀分布。
图2中的氮气吸附-脱附等温线和孔径分布曲线阐释了三种样品的孔结构物理特性。HTS-APC展现出最高的比表面积，并且其孔径分布显示，与TF-APC和原始材料相比，HTS-APC具有更小的平均孔径，且大部分孔为微孔和介孔，为离子吸附和快速传输提供了充足的活性位点和通道。
拉曼光谱、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）分析进一步揭示了HTS-APC的碳结构特性、石墨化程度以及元素化学状态。HTS-APC具有最高的无序度和缺陷特征，这与其优异的电容性能密切相关。
图3表明HTS-APC在6 mol/L KOH电解液中具有最佳的电化学性能，包括最大的比电容和优异的速率特性。CV曲线的矩形形状和GCD曲线的三角形状显示了其理想的EDLC行为。Nyquist图显示了低等效串联电阻，而循环稳定性测试显示了高容量保持率。
图4展示了HTS-APC在不同电解液中的出色能量存储性能。CV和GCD曲线证明了其良好的倍率性能，Ragone图显示了其高能量密度和功率密度。Nyquist图和循环稳定性测试进一步证实了其低电阻和高循环稳定性，特别是在EMIMBF4离子液体中，展现了增强的性能和应用潜力。
综上，HTS策略不仅为多孔碳的快速、高效、低成本生产提供了新途径，而且为超级电容器等电化学能量存储设备的应用提供了理想的电极材料。
本研究成功利用快速高温冲击（HTS）策略以针状焦为前驱体合成了多孔碳材料，并验证了其作为超级电容器电极材料的应用潜力。HTS过程中，氢氧化钾（KOH）与针状焦充分接触活化，生成大量二氧化碳及其他气体，有助于多孔碳结构的形成。得益于HTS技术的快速加热、冷却和短时间热处理特性，得到的多孔碳具有均匀且适宜的孔径大小。
实验结果表明，针状焦是制备多孔碳材料的理想前驱体，能够在活化过程中保持稳定。通过HTS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块体结构，为离子传输提供了最佳路径。在6 M KOH溶液作为电解液的双电极体系中，HTS-APC展现了卓越的循环稳定性，经过10,000次循环后电容保持率为99.16%。在使用EMIMBF4作为电解液的双电极体系中，HTS-APC//HTS-APC的能量密度在875 W kg−1的功率密度下可达35 Wh kg−1，显示出比传统方法和商业样品YP50F更优异的性能。
此外，HTS法制备的APC不仅在能量存储设备中有应用前景，还在催化和有害气体吸附领域展现出广泛的应用潜力。HTS法具有快速、高效和经济生产APC的优势，为APC的制备提供了新方法，推动了APC向更高效、更环保的方向发展。展望未来，HTS策略有望进一步优化，以实现更高性能的多孔碳材料的工业化生产，满足日益增长的能源存储和转换需求。
Cuihua Zeng, Cunpeng Duan, Zhaoxin Guo, Zhedong Liu, Shuming Dou, Qunyao Yuan, Peng Liu, Jingchao Zhang, Jiawei Luo, Weidi Liu, Jinfeng Zhang, Yanan Chen, Wenbin Hu. Ultrafastly activated needle coke as electrode material for supercapacitors. Progress in Natural Science: Materials International. Volume 32, Issue 6, 2022.
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2022.10.008.
