通过电磁热激活实现超快合成具有分级孔结构的碳材料，以高效进行电化学能量存储

《Journal of Endometriosis and Uterine Disorders》：Ultrafast synthesis of hierarchically porous carbon for efficient electrochemical energy storage via electromagnetic thermal activation

电磁热解法在5分钟内制备出2167.54 m2/g N/O共掺杂多级孔碳，组装对称超级电容器能量密度64.53 Wh/kg，功率密度36,000 W/kg，解决传统碳化-活化法耗能高、产率低、污染多问题。

　　在当今快速发展的新能源汽车和便携式电子设备市场中，对低成本、高效能的能量存储设备的需求显著增加。这种趋势推动了超级电容器（Supercapacitors, SCs）作为替代传统电池的储能技术的广泛应用。超级电容器以其快速充放电的能力和较长的使用寿命而受到关注，能够在极短的时间内（10?1至102秒）完成能量的收集与释放。然而，当前商业化的超级电容器大多采用的是电双层电容器（Electric Double-Layer Capacitors, EDLCs），其核心是利用多孔碳电极和有机电解质。虽然这种设计具备高功率密度和宽工作温度范围的优势，但其能量密度相对较低，仅为锂离子电池的1/50，同时每千瓦时的资本成本也较高，约为锂离子电池的20倍，这些因素严重限制了其商业化应用的前景。

因此，提高多孔碳材料的能量存储潜力、降低生产成本而不牺牲功率输出，成为推动超级电容器技术发展的关键。为了实现这一目标，研究者们从多个方面入手，优化多孔碳电极的结构和表面化学特性。一方面，设计分级多孔结构可以增强有效比表面积（Specific Surface Area, SSA）并促进高电流密度下的快速离子传输；另一方面，构建具有高导电性和强机械稳定性的三维碳骨架，有助于提升电容器的功率输出和循环稳定性。此外，通过在碳网络或表面引入适量的杂原子（如氮和氧），可以改善材料的润湿性和赝电容性能。与此同时，调节多孔碳电极与电解质之间的匹配效应，也是拓展电容器工作电压窗口和提高能量密度的有效策略。

目前，多孔碳材料通常由碳前驱体（如生物质、化学品等）经过传统的“碳化-活化”工艺制备。然而，这种传统方法存在诸多问题，包括较长的反应时间（2至20小时）、较低的产率（5至30%）、以及产生副产物污染（如CO和NO?）和高能耗。这些因素不仅增加了多孔碳材料的生产成本，还对环境造成了一定的影响。为了解决这些问题，研究者们尝试使用硬模板和复杂的后合成处理工艺来制备分级多孔碳材料，但这进一步增加了生产流程的复杂性和成本。此外，进行有害化学反应并使用化学试剂实现杂原子掺杂，也带来了环境和安全方面的隐患。

针对上述挑战，本文提出了一种新的方法——电磁热解（Electromagnetic Pyrolysis, EMP），利用低成本的生物质废弃物（如海藻Enteromorpha）作为原料，制备出具有氮和氧双重掺杂的分级多孔碳材料。Enteromorpha是一种常见的海藻，其在水体富营养化的条件下可以大规模生长，但这种生长模式可能对海洋生态系统造成潜在危害。研究发现，Enteromorpha富含钙、钠盐和蛋白质，这些成分不仅可以作为天然的硬模板，帮助形成分级多孔结构，还能在热解过程中实现氮和氧的协同掺杂。与传统的“碳化-活化”方法相比，EMP技术通过快速加热和淬冷过程，结合封闭的高压环境，显著提高了碳前驱体与化学活化剂（如KOH）和物理活化剂（如CO?和H?O）之间的相互作用程度。这种优化使得最终得到的电磁热解活化碳（EMP-AC）具备三维分级多孔结构、高比表面积和高能级的杂原子掺杂特性。

实验结果表明，EMP-AC基的对称超级电容器在EMIMBF?离子液体中表现出卓越的能量密度（64.53 Wh kg?1）和超高的功率密度（36,000 W kg?1）。这一能量存储性能在生物质衍生碳制备的超级电容器中是前所未有的。此外，该电容器在高电流密度下仍能保持良好的性能，显示出其在实际应用中的潜力。EMP技术的引入不仅解决了传统方法中时间长、能耗高、产率低等问题，还有效减少了副产物气体的排放，为实现低能耗、高效率和绿色的高性能多孔碳材料制备提供了一种新思路。

从材料的角度来看，多孔碳材料的结构和表面化学特性对超级电容器的性能具有决定性影响。传统的“碳化-活化”工艺虽然能够制备出具有较高比表面积的多孔碳材料，但其过程复杂、耗时长，且会产生大量有害气体和废弃物。相比之下，EMP技术通过快速加热和淬冷，能够在短时间内完成材料的热解和活化过程，大大缩短了生产时间。同时，封闭的高压环境有助于提高反应效率，减少能源消耗。此外，由于EMP技术避免了使用化学试剂进行杂原子掺杂，从而降低了环境污染和安全风险，使得整个生产过程更加环保和安全。

在实验方法方面，本文采用了一种简便的热解工艺，利用不锈钢管式炉进行热解处理。Enteromorpha和KOH作为主要的前驱体和活化剂，分别用于制备微孔结构的碳材料。然而，当采用EMP技术进行热解时，其在密封管中的反应结果与传统方法在开放式瓷舟中的反应结果存在显著差异。这种差异主要体现在材料的结构和表面化学特性上，EMP-AC表现出更高的比表面积和更优的分级多孔结构，这有助于提高超级电容器的性能。此外，EMP技术还能够实现氮和氧的协同掺杂，这种掺杂不仅增强了材料的润湿性，还提高了其赝电容性能，使得超级电容器在高电流密度下仍能保持良好的电化学性能。

在应用方面，EMP-AC基的超级电容器在EMIMBF?离子液体中展现出优异的能量密度和功率密度，这表明其在实际应用中具有广阔前景。离子液体作为一种新型的电解质，具有高电化学稳定性、不易燃性和低挥发性等优点，使其成为制备高电压超级电容器的理想选择。然而，传统的多孔碳材料在离子液体中的性能通常不如在水性电解质中的表现，这主要是由于其结构限制和表面化学特性不足。而EMP-AC的结构优化和表面化学特性改进，使得其在离子液体中的表现更加优异，从而拓展了超级电容器的应用范围。

从经济和环境的角度来看，EMP技术不仅能够显著降低多孔碳材料的生产成本，还能减少能源消耗和污染物排放，这使得其在工业化生产中具有更高的可行性。相比传统方法，EMP技术能够在短时间内完成材料的制备，提高了生产效率。同时，由于其工艺流程相对简单，减少了对复杂设备和化学试剂的依赖，从而降低了生产成本。此外，EMP技术在热解过程中减少了有害气体的排放，使得整个生产过程更加环保，符合绿色发展的要求。

在材料的结构优化方面，EMP技术通过快速加热和淬冷，能够在短时间内完成材料的热解和活化过程，使得材料的结构更加均匀和有序。传统的“碳化-活化”方法由于反应时间较长，往往导致材料的结构不均匀，从而影响其性能。而EMP技术的快速反应过程使得材料的结构在短时间内形成，提高了材料的均匀性和有序性，进而增强了其电化学性能。此外，EMP技术的封闭高压环境有助于提高反应的可控性，使得材料的结构和性能更加稳定。

在实际应用中，EMP-AC基的超级电容器表现出优异的能量存储性能，这表明其在新能源汽车、便携式电子设备等领域具有广阔的应用前景。随着新能源技术的不断发展，对高效能、低成本、环保型储能设备的需求也在不断增加。EMP技术的引入为满足这些需求提供了一种新的解决方案，其快速、高效、环保的特性使其在未来的储能技术发展中具有重要地位。

综上所述，本文通过引入电磁热解技术，成功制备出具有氮和氧双重掺杂的分级多孔碳材料。这种材料在结构和表面化学特性上均优于传统方法制备的多孔碳材料，从而显著提高了超级电容器的性能。EMP技术不仅解决了传统方法中存在的诸多问题，如时间长、能耗高、产率低等，还为实现低能耗、高效率和绿色的高性能多孔碳材料制备提供了一种新思路。未来，随着该技术的进一步优化和推广，有望在新能源汽车、便携式电子设备等领域发挥更大的作用，推动储能技术的可持续发展。