通讯作者王宝凤通讯单位山西大学论文DOIhttps://doi.org/10.1016/j.est.2026.1235471. 背景超级电容器兼具高功率密度、快速充放电和长循环寿命其性能高度依赖电极材料的孔结构、导电性和表面活性位点。煤基多孔碳因原料丰富、成本低、结构可调被认为是重要的电极材料来源其中褐煤含有较多挥发分和含氧官能团易在活化过程中形成孔结构和缺陷位点但高灰分、残余矿物和结构不稳定会限制导电性与储能表现。如何将低阶煤转化为兼具高比表面积、合理微孔/介孔结构和有效缺陷的多孔碳是低值煤资源高值化和高性能储能材料制备的交叉关键问题。2. 论文概要2026年7月16日山西大学王宝凤教授团队在期刊《Journal of Energy Storage》在线发表论文该研究以脱矿褐煤为原料构建“水热碳化HTC-快速焦耳加热RJH”耦合路线制备缺陷多孔碳H-RJH。研究者先将脱矿褐煤在320 °C水热处理1 h获得具有初始孔结构和更高碳化程度的水热炭随后将水热炭或直接脱矿褐煤与KCl/K2CO3混合置于石英管中央并连接焦耳加热装置在真空条件下以83 A、36 V快速升温升温速率约280 K s-1分别达到600、800、1000或1300 °C并保温30 s随后以约100 K s-1冷却。优化样品H-RJH-800具有1354 m2 g-1比表面积、0.94 cm3 g-1总孔体积、较高石墨化程度ID/IG 0.90和更丰富碳空位g 2.00454在三电极体系中实现高比电容并在对称超级电容器中达到22.8 Wh kg-1375 W kg-1能量密度。DFT计算进一步表明碳空位可在保证K有效吸附的同时维持较快吸附/脱附动力学是提升储能性能的重要结构因素。3. 图文解读图1 缺陷多孔碳的合成流程图1概括了两条制备路线脱矿褐煤可直接经快速焦耳加热得到D-RJH也可先经水热碳化生成水热炭再与KCl/K2CO3协同快速焦耳加热得到H-RJH。HTC为褐煤提供初始孔结构和碳化升级RJH则在短时间内完成高温重构、K刻蚀和缺陷调控最终形成用于超级电容器电极的缺陷多孔碳。图2 形貌、孔结构和孔径分布图2显示HTC预处理显著改变RJH后的微观结构。H-RJH样品在相同温度下通常比D-RJH具有更发达的孔结构H-RJH-800表现出丰富孔道和较高微孔占比氮气吸脱附结果显示其比表面积和孔体积优于D-RJH-800同时超微孔分布与K、OH-离子尺寸更匹配有利于提供有效双电层储能位点和快速离子传输路径。图3 缺陷结构和表面化学组成图3通过XRD、Raman、EPR、FT-IR和XPS比较H-RJH-800与D-RJH-800。两者均以低结晶度碳为主但H-RJH-800具有较高石墨化程度和更典型的碳空位特征D-RJH-800则更偏向杂原子空位XPS表明样品含C、N、O元素及多种含氧/含氮官能团这些结构既影响润湿性和赝电容贡献也决定孔道是否被官能团阻塞。图4 三电极体系电化学性能图4评估H-RJH和D-RJH样品在6 M KOH三电极体系中的储能表现。CV曲线近似矩形并伴随弱氧化还原峰说明储能以双电层电容为主、辅以少量赝电容H-RJH-800在0.5 A g-1下比电容达433.6 F g-1高于D-RJH-800的390.3 F g-1且在20 A g-1下保持68%电容说明HTC-RJH协同带来的孔结构、石墨化程度和碳空位有利于高容量与倍率性能。图5 对称超级电容器性能图5将H-RJH-800和D-RJH-800组装为对称超级电容器进行验证。H-RJH-800在0-1.5 V电压窗口内保持较好矩形CV和对称GCD曲线显示良好可逆性其等效串联电阻低于D-RJH-800能量密度达到22.8 Wh kg-1375 W kg-1在15,000 W kg-1高功率密度下仍保持10.95 Wh kg-1但5000次循环后电容保持率为56.4%提示RJH引入的亚稳缺陷仍需进一步稳定化。图6 DFT计算揭示缺陷与K吸附图6通过DFT比较杂原子空位、碳空位和石墨烯层模型对K的吸附。吸附能排序为杂原子空位-3.24 eV强于碳空位-2.70 eV强于石墨烯层-0.86 eV表明缺陷可显著增强离子相互作用但过强吸附可能阻碍离子脱附和扩散碳空位在吸附强度与动力学之间更平衡其Bader电荷转移结果支持快速吸附/脱附过程。图7 结构参数与电容性能相关性图7以Pearson相关分析连接结构特征与电容性能。微孔比表面积Smic、微孔体积Vmic与比电容Cm呈正相关说明合适微孔是有效储能位点ID/IG与Cm负相关而石墨化指标与Cm正相关提示过度无序会降低导电与离子传输效率。整体结果证明孔结构、碳空位和适度石墨化需要协同优化而非单纯追求缺陷数量。4. 总结展望该研究证明水热碳化预处理可以为脱矿褐煤建立初始孔结构并提升碳化程度随后快速焦耳加热在秒级高温环境中进一步发展孔道、调控缺陷并提高储能活性最终获得兼具高比表面积、碳空位和较好导电性的H-RJH-800多孔碳电极。该路线为低阶煤资源化和煤基超级电容器电极提供了经济可行思路但循环稳定性仍是短板未来可通过延长RJH处理时间、低温退火或后处理修复亚稳缺陷同时优化KCl/K2CO3比例和连续化焦耳加热装备以进一步提升材料批量一致性、长循环寿命和实际器件适配性。文献信息Zeyu Liang, Peng Zhang, Xutao Song, Xiang Lv, Mukun Xue, Jinglei Cui, Huirong Zhang, Baofeng Wang, Yanxia Guo,Preparation of defective porous carbon by hydrothermal carbonization coupled with rapid Joule heating from demineralized lignite for electrode materials of supercapacitors,Journal of Energy Storage,Volume 178, Part B,2026,123547,ISSN 2352-152X,https://doi.org/10.1016/j.est.2026.123547.