第一作者：陈博浪

通讯作者：吴冬玲，王涛，贾殿赠

单位：新疆大学

以活性炭为代表的多孔炭材料是超级电容器的首选电极材料。开发低成本、简单可控的多孔炭材料制备新方法并将其作为高性能电极材料是当今超级电容器领域的研究热点。生物质因其来源广泛、价格低廉、可持续、具有天然孔隙结构和丰富的杂原子而被认为是制备多孔炭材料的理想前驱体之一。然而，目前多孔炭的制备大多需要在管式炉中惰性气氛保护下进行，这不仅增加了资源消耗和成本，而且设备要求高，耗时长。

在空气气氛中炭化制备多孔炭材料无疑是一种高效简便、低成本的制备策略。但是炭前驱体在空气气氛中高温炭化会发生燃烧与氧化造成严重的质量损失。通过在炭前驱体中添加阻燃剂，利用阻燃剂的阻燃协同模板、活化、掺杂等功能，是空气气氛制备多孔炭材料的一种有效途径。

新疆大学“省部共建碳基能源资源化学与利用”国家重点实验室吴冬玲教授课题组在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Rapid preparation of porous carbon by flame burning carbonization method for supercapacitor”的研究文章。

通过简单的火焰燃烧炭化策略，快速制备了系列优异电容性能的生物质基多孔炭材料。结果表明，K₂CO₃-KCl阻燃剂在高温火焰条件下形成液态熔盐并覆盖前驱体隔绝空气，熔盐分解释放的气体稀释空气，从而阻止前驱体完全燃烧，起到了凝聚相和气相阻燃作用，此外熔盐的高热容和优良的导热性能促进了生物质的炭化。以制得的多孔炭和K₂CO₃-乙二醇-精氨酸低共熔电解液组装的电容器具有高能量密度，优异的循环稳定性和宽温度使用范围（图1）。该工作为简单、快速制备高性能超级电容器用生物质基多孔炭材料开辟了新途径。

图1 样品制备及组装电容器的电容性能。

生物质与钾盐混合后，直接用火焰喷枪点燃复合物。如图2所示，在火焰燃烧炭化过程中，前驱体的主要成分纤维素在300 oC左右燃烧：(C₆H₁₀O₅) n+6n O₂→5n H₂O +6n CO₂，产生的气体可以稀释周围空气、降低O₂浓度，起到气相阻燃的作用。当温度达到650 oC时，K₂CO₃-KCl发生从固态到熔融状态的相变，液态熔盐覆盖前驱体，空气被隔离，阻止前驱体在高温下完全燃烧。此外，熔盐的高热容和优良的热传导性能可促进生物质的炭化。

温度进一步升高到800 oC左右时，K₂CO₃开始分解，生成的CO₂和K可以起到活化作用。在燃烧炭化过程中，熔盐会分散到材料内部，由于炭化时间短（10 min），不会对材料产生过活化作用，有利于形成均匀的孔道。同时，当炭化温度低于熔盐熔点时，盐会嵌入到炭骨架中，可作为模板获得三维分层结构多孔炭。燃烧炭化产率可达20.3%。而在管式炉中，随着炭化时间的延长，熔盐会朝着吉布斯自由能下降的方向发展，易发生聚集，活化过程中形成大而不均匀的孔隙，长时间炭化也会使多孔结构发生坍塌，产率下降（5%）。

图2 燃烧炭化制备过程示意图。

要点二：火焰燃烧炭化制备的多孔炭性能优于商业活性炭。

以6 M KOH为电解液，火焰燃烧炭化制备的多孔炭为电极材料，组装了对称超级电容器。火焰燃烧炭化制备的样品能量密度可以达到13.0 Wh kg^-1，优于商业活性炭（5.3 Wh kg^-1）（图3）。

图3 多孔炭在6 M KOH电解液组装的电容器的电容性能。

要点三：K₂CO₃-乙二醇-精氨酸电解液表现出大的电压窗口。

该工作制备了K₂CO₃-乙二醇低共熔电解液，添加精氨酸（含氨基和羧基）后，因其带有正、负电荷，从而优先吸附在电极表面，抑制了乙二醇的分解，电解液的稳定电位窗口由1.8 V提高到2.0 V（图4）。

图4 多孔炭与低共熔电解液组装的电容器的电容性能。

Rapid preparation of porous carbon by flame burning carbonization method for supercapacitor

 B. Chen, D. Wu*, T, Wang*, F. Yuan, D. Jia*

吴冬玲教授简介：新疆大学化学学院教授，博士生导师，化学学院物化与绿色催化研究所副主任，入选新疆维吾尔自治区天山英才计划。主要从事功能碳材料的基础研究工作，包括新型碳材料的结构设计、功能化改性，新型低共熔电解液的设计制备，及面向能源领域应用的基础研究；煤焦油分级分质利用新途径的探索。

先后主持国家自然科学基金项目4项，新疆维吾尔自治区自然基金、自治区重点实验室专项等项目十余项，在J. Mater. Chem. A，Chem. Eng. J.，ACS Appl. Mater. Inter.，J. Power Sources，Electrochim Acta，ACS Sustain. Chem. Eng.，Mater. Today Chem.等学术期刊发表研究论文40余篇。曾获新疆维吾尔自治区自然科学奖一等奖1项（2020），新疆维吾尔自治区科技进步一等奖2项（2016、2011）。