内蒙古民族大学刘景海教授和太原理工大学王美君教授CCL：用于超级电容器分级多孔煤基泡沫炭电极材料的高效构筑

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在“双碳”背景下，煤炭从能源向材料的转化是实现其低碳高值化利用的有效途径。强粘结性的烟煤在热解过程中存在由气液固三相组成的胶质体阶段，大量挥发性气体在粘流状胶质体中释放可衍生出泡孔结构。基于此，课题组通过机械加压的方式，在常压下对发泡过程中的压力进行平衡，实现了煤基泡沫炭的可控制备。所得煤基泡沫炭具有丰富的泡孔和高孔隙度，其碳基体由泡孔和相互连接的泡壁组成，利于活化剂深入材料的泡孔内部并为其提供大量附着位点，增大活化剂与碳基体的接触进而发生高效的化学活化，获得了具有高比表面积以及丰富微孔和介孔的分级多孔结构，促进了离子通道的形成、电解质的渗透和离子的扩散，提高了所得电极材料的电化学性能。同时热解发泡过程后，材料中的灰分主要分布于泡沫炭基体表面和内部裂缝。深入碳基体中的KOH活化剂有助于灰分的深度脱除，降低了灰分对电极材料电化学性能的影响。此外，煤基泡沫炭表面含有大量的氧原子，可在多孔炭中引入表面官能团。通过适量含氧官能团的引入不仅能够改善材料的润湿性，还可以引入赝电容，进一步提升了煤基多孔炭电极的储能效果。
所制HPC（NCF-KOH）具有分级多孔结构、超高的比表面积、适量的含氧官能团。在三电极体系中NCF-KOH表现出487 F/g（1.0 A/g）的高比电容，并且在50 A/g电容保持为400 F/g。作为对称超级电容器的电极，在0.5 A/g下其比电容为299 F/g，以及在5 A/g下10000次循环后电容量保持率高达96%。此外，在6 M KOH中249.6 W/kg功率密度下，NCF-KOH获得了10.34 Wh/kg的高能量密度。因此，这是一种绿色、简单、高效的煤基分级多孔碳超级电容器电极材料的合成方法，拓展了烟煤的高附加值利用途径，具有广阔的发展前景。相关工作以“Hierarchical porous carbon derived from coal-based carbon foam for high-performance supercapacitors”为题，发表在《Chinese Chemical Letters》上。  
图1 以（A）煤（RC）和（B）煤基泡沫炭（NCF/CCF）为碳基体制备分级多孔炭（HPC）的合成路线示意图 
图2 HPCs的形貌图：（a）RC、（b）NCF、（c）CCF、（d）RC-KOH、（e）NCF-KOH和（f）CCF-KOH的SEM图；（g）RC-KOH、（h）NCF-KOH和（i）CCF-KOH的TEM图；（j）元素分布图。 
图3 HPCs的微晶结构和表面化学组成：（a）XRD谱图；（b）Raman谱图；（c）XPS光、谱；（d）RC-KOH、NCF-KOH和CCF-KOH的高分辨C 1s XPS光谱；（e）RC-KOH、NCF-KOH和CCF-KOH的高分辨O 1s XPS光谱；（f）RC-KOH、NCF-KOH和CCF-KOH的FT-IR光谱。 
图4 KOH活化机理及多孔结构形成示意图。 
图5 三电极体系下HPCs作为超级电容器电极的电化学性能：（a）CV曲线，10 mV/s；（b）GCD曲线，1 A/g；（c）NCF-KOH在5–100 mV/s扫描速率下的CV曲线；（d）NCF-KOH在1–50 A/g电流密度下的GCD曲线；（e）样品的比电容（C_g）；（f）C_g与S_BET和V_meso/V_total的关系图；（g）电化学阻抗谱(EIS)及其等效电路图；（h）Bode图。 
图6 对称电极体系下HPCs作为超级电容器电极的电化学性能：（a）CV曲线，100 mV/s；（b）GCD曲线，0.5 A/g；（c）NCF-KOH在5–500 mV/s扫描速率下的CV曲线；（d）NCF-KOH在0.5–50 A/g电流密度下的GCD曲线；（e）倍率性能；（f）Ragone图；（g）5 A/g下循环稳定性测试；（h）NCF-KOH//NCF-KOH的储能示意图。
论文的通讯作者为内蒙古民族大学纳米创新研究院的刘景海教授和太原理工大学省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室的王美君教授。研究工作由内蒙古民族大学纳米创新研究院和太原理工大学省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室共同完成，该研究得到国家自然科学基金、山西省重点基金、内蒙古自然科学基金和蒙古自治区应用技术研究开发科技计划项目的资助支持。 论文链接Nuannuan Yang ^a,b, Lei Ji ^c, Haichao Fu ^a,b, Yanfeng Shen ^a,b, Meijun Wang ^a,b,*, Jinghai Liu ^c,*, Liping Chang ^a,b, Yongkang Lv ^a,b, Hierarchical porous carbon derived from coal-based carbon foam for high-performance supercapacitors. Chin Chem Lett. doi:10.1016/j.cclet.2022.03.037.
https://authors.elsevier.com/sd/article/S1001-8417(22)00233-9

作者简介

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刘景海教授：长期从事纳米碳与无机固体材料的合成化学与光催化、电化学能源、生物电子应用的研究，近年来注重纳米科学与固体化学的交叉研究，从电子态、原子价态和电荷转移角度理解固体材料催化、储能、传感特性与纳米尺度微结构的构效关系。先后主持并参与了国家自然科学基金、内蒙古自然科学基金杰出青年项目、内蒙古自治区科技成果转化项目、内蒙古自治区科技计划项目等11项。以第一完成人获得内蒙古自然科学二等奖，在Matter, Nano Letters, Advanced Functional Materials, Chemical Communications, Journal of Materials Chemistry等国际学术期刊上发表学术论文80余篇。
王美君教授：太原理工大学省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室教授，博士生导师。山西省高等学校优秀青年学术带头人，山西省“三晋英才”支持计划青年优秀人才，全国煤炭标准化技术委员会煤质与资源评价分技术委员会委员，第三届山西省焦化行业协会专家委员专家，《煤化工》期刊第十届编委，《煤质技术》期刊中青年专家学术委员会委员。近年来，主要围绕煤炭选配一体化技术、煤炭分级高效转化利用进行应用基础研究。目前，承担国家级、省部级科研项目10余项。在国内外发表学术论文60余篇，申报发明专利12件。获山西省科学技术进步奖一等奖1项，山西省高等学校优秀成果奖科学技术进步一等奖1项。

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