成果简介
促进化石能源的过渡和新应用对于实现碳中和至关重要。将煤炭转化为石墨碳是实现煤炭高价值利用的有效途径，但这一过程总是涉及腐蚀性/毒性化学试剂和耗时的加热处理。本文，山西大学韩高义教授 团队、江苏大学 倪江锋 教授等在 《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊发表名为“Upgraded Structure and Application of Coal-Based Graphitic Carbons Through Flash Joule Heating”的论文，研究报告了一种绿色、快速、高效的闪速焦耳加热（FJH）技术，该技术可在1秒内从不同煤炭中制备出高质量的碳。结果表明，煤化程度高的无烟煤在峰值温度约3300 K时往往会形成高度石墨化的碳材料，在电容储能方面具有较高的速率能力（30Ag-1 时的容量保持率为79.1%）和较低的弛豫时间常数（τ0= 0.27s）。此外，从褐煤和烟煤中提取的低煤级闪速碳材料显示出更好的电容性能，在1Ag-1时容量超过80Fg-1。这项研究证明，FJH 技术在将煤炭转化为有价值的碳材料方面具有巨大潜力。
图文导读
图1、通过闪速焦耳加热（FJH）制备煤基石墨碳材料的示意图。
图2、a-c) 褐煤、烟煤和褐煤的分子结构模型；d-f) 褐煤-MSF、沥青质-MSF 和无烟煤-MSF 的扫描电子显微镜（SEM）图像；g-i) 褐煤-MSF、沥青质-MSF 和无烟煤-MSF 的过渡电子显微镜（TEM）图像；j) 褐煤、褐煤-MS 和褐煤-MSF 的 X 射线衍射（XRD）图样；k) 沥青质、沥青质-MS 和沥青质-MSF 的 XRD 图样。j) 褐褐铁矿、褐褐铁矿-MS 和褐褐铁矿-MSF 的 X 射线衍射（XRD）图。
图3、a) 不同煤炭的红外光谱和 b) 拉曼光谱。c) 不同煤炭的 G-D 和半最大值全宽 (FWHM) (G) 分析。d) 褐煤-MSF、沥青质-MSF 和无烟煤-MSF 的红外光谱和 e) 拉曼光谱。f) 基于拉曼光谱和红外光谱的 DOC 和 FWHM (G’) 分析。
图4、a) 与温度有关的电压图。b) 在不同闪蒸电压下制备的样品的 X 射线衍射（XRD）图和红外光谱图。d) 在不同闪蒸电压下制备的样品的 DOC 曲线。h) 基于拉曼光谱的 ID/IG、FWHM (G) 和 FWHM (G’) 分析图。
图5、a) 不同电压下制备的褐煤-MS 和褐煤-闪灼焦耳加热（FJH）、b) 不同电压下制备的沥青质-MS 和沥青质-FJH、c) 不同电压下制备的无烟煤-MS 和无烟煤-FJH 的静电充电-放电（GCD）曲线。d) 以不同煤为前驱体，样品在不同电压下的比电容。e) 褐煤-MSF、沥青质-MSF 和无烟煤-MSF 的 Bode 图。
小结
总之，高效的FJH方法可在1秒内从不同的煤炭资源中快速制备出石墨碳。所制备的碳材料呈现出明显的片状形态，其表面官能团、缺陷浓度和石墨化程度可在超快闪蒸过程中进行调控。研究揭示了从原料到产品的结构演变过程以及所得碳材料的结构-性能关系。无烟煤倾向于形成长程有序碳材料，用于高速电荷存储，在 30 A g-1 时具有较高的容量保持率（79.1%），而从煤化程度较低的褐煤和烟煤中提取的石墨化碳材料则表现出更大的比容量。这项研究不仅揭示了不同煤炭来源所产生的复杂差异，还为提高煤炭衍生材料的价值提供了创新途径。这项研究获得的全面认识也有助于煤基碳材料的制备、结构可控性和应用。
文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202403961
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