酸性氧化预处理与化学活化协同提升煤基洋葱状富勒烯的锂存储性能

为突破传统石墨负极材料比容量低、倍率性能差的瓶颈，研究人员以无烟煤为前驱体，通过一步热催化法快速制备煤基洋葱状富勒烯（C-OLFs），结合酸性氧化预处理（80°C硝酸氧化）和KOH化学活化处理，显著提升材料石墨化程度（库仑效率达80%）和锂存储性能（100次循环后比容量达454 mAh·g?1 ）。该研究为开发高性能锂离子电池负极材料提供了新策略。

　　

随着全球能源结构转型加速，锂离子电池（LIBs）作为高效储能装置的核心，其性能瓶颈日益凸显。传统石墨负极材料存在比容量低（理论值372 mAh·g^?1
）、高倍率下容量衰减快等缺陷，而碳纳米材料如洋葱状富勒烯（Onion-like fullerenes, OLFs）因其独特的同心多层石墨烯结构、高导电性和丰富孔隙，被视为理想替代品。然而现有OLFs制备方法普遍面临成本高、工艺复杂等问题。山西大学与山西华阳新材料科技集团合作团队在《Journal of Energy Storage》发表研究，创新性地以无烟煤为前驱体，通过酸性氧化预处理和化学活化协同策略，实现了高性能煤基OLFs（C-OLFs）的可控制备。

研究采用三步关键技术：首先对无烟煤进行硝酸或混酸（硝酸-硫酸）氧化预处理（80-120°C），随后以Fe(NO₃
)₃
·9H₂
O为催化剂前驱体，在1600°C下通过一步热催化法制备C-OLFs，最后通过KOH化学活化进一步优化材料结构。

材料与结构表征
SEM/TEM分析显示，原始无烟煤呈无序层状堆叠结构，经硝酸氧化（80°C）处理的C-OLFs呈现典型准球形多层结构（图2），石墨化程度最高（ID/IG=0.82）。XRD证实混酸氧化样品在120°C处理时具有最优层间距（0.342 nm），利于Li⁺
嵌入。

电化学性能
硝酸氧化样品在5 A·g^?1
高电流密度下仍保持140 mAh·g^?1
的比容量，而KOH活化后材料性能显著提升：首次循环容量达298 mAh·g^?1
，100次循环后增至454 mAh·g^?1
（图5）。电化学阻抗谱（EIS）显示活化后电荷转移电阻降低60%，证实化学活化引入的介孔结构（BET比表面积提升至890 m²
·g^?1
）有效促进了离子传输。

结论与意义
该研究开创性地将廉价无烟煤转化为高性能储能材料，揭示了酸性氧化温度与石墨化程度的"驼峰关系"：80°C硝酸氧化实现最高石墨化度，120°C混酸处理获得最佳倍率性能。化学活化通过构建分级孔隙结构，使Li⁺
存储位点增加300%。这项工作不仅为煤基高值化利用提供了新路径（产率较传统方法提升40%），更为设计下一代高能量密度LIBs负极材料奠定了理论基础，相关技术已获中国发明专利支持（专利号未公开）。研究团队特别指出，该工艺中催化剂可回收利用，符合绿色化学理念，未来通过掺杂氮/硫等杂原子（如借鉴Xiao等提出的离子液体掺杂法），有望进一步突破容量极限。