高温氧化法制备超多孔炭黑用于高性能储能器件

研究人员针对碳基材料在超级电容器中比表面积(SSA)和孔隙结构不足的问题，通过高温氧化商业炭黑(CB)开发了具有2185 m2/g超高SSA的材料。该研究通过调控1200℃氧化动力学，形成2-8 nm介孔结构，使电化学双层电容器(EDLC)在≥100 mV/s扫描速率下比商用活性炭(YP80)和科琴黑(Ketjenblack)的比电容(Cg)提升60%，为高功率储能提供了新方案。

　　

随着电动汽车和智能电网的快速发展，高性能储能器件成为研究热点。电化学双层电容器(EDLC)因其快速充放电特性备受关注，但其核心电极材料——多孔碳的比表面积(SSA)和孔隙结构存在明显瓶颈：商用活性炭(AC)虽具有1800 m²/g的高SSA，但主要依赖<1 nm的微孔结构，导致高电流密度下离子传输受阻；而传统氧化炭黑(CB)的SSA仅900 m²/g，远不能满足需求。如何通过可控氧化工艺同时实现高SSA和理想介孔结构，成为突破储能材料性能的关键科学问题。

荷兰代尔夫特理工大学(Faculty of Aerospace Engineering, Delft University of Technology)的Georgios A. Kelesidis团队在《Powder Technology》发表研究，创新性地采用1200℃高温氧化商业炭黑(Printex 95)，通过精确控制氧化转化率(χ=75%)，制备出SSA达2185±199 m²/g的超多孔材料。该材料在保持纳米级初级颗粒(15 nm)的同时，形成了2-8 nm介孔网络结构，其性能远超传统低温(450-550℃)氧化CB和商用Ketjenblack(1270-1445 m²/g)。

研究采用热重分析(TGA)进行程序升温氧化，结合X射线衍射(XRD)和N₂吸附分析孔隙演变，通过透射电镜(TEM)观察纳米结构变化。电化学测试采用标准三电极体系，以1 M TEABF₄/AN为电解液，对比研究了氧化CB与商用YP80、Ketjenblack的循环伏安(CV)和恒流充放电(GCPL)性能。

3.1 氧化过程中CB孔隙与结晶度演变

高温氧化使CB从核壳结构转变为非晶态，O₂扩散至颗粒内部形成2-8 nm介孔。XRD显示层间距(d)从3.68 ?增至3.81 ?，拉曼光谱D/G比升高证实结构无序化，这与晶格蒙特卡洛模拟预测的SSA增长趋势吻合。

3.2 氧化CB与商业材料的孔隙对比

氧化CB的SSA是Ketjenblack的1.5倍，介孔面积占比达93%。N₂吸附等温线显示其具有明显的滞后环，表明发达的介孔网络，与YP80的微孔主导结构形成鲜明对比。

3.3 氧化CB基EDLC的性能优势

在200 mV/s扫描速率下，氧化CB电极保持矩形CV曲线，而YP80严重变形。0.2-5 A/g电流范围内，其C_g达60 F/g，比YP80高40%。这归因于介孔加速离子传输，且单层石墨烯结构(厚度97.5 μm)使电极密度达0.44 g/cm³，体积电容媲美商用材料。

该研究突破传统低温氧化工艺局限，通过高温诱导体相氧化创造性地构建了"高SSA-介孔"协同结构。相比价格昂贵的氧化石墨烯衍生材料(20万美元/kg)，该方法采用廉价CB(几美元/kg)实现了SSA 2438 m²/g的文献纪录值，且产率提高4倍。这种材料不仅适用于超级电容器，还可作为锂硫电池的导电宿主，为下一代储能器件开发提供了新思路。研究揭示的"温度-结构-性能"关系，为规模化生产(从0.01 kg/h到kg级)奠定了理论基础。