1. 背景超级电容器兼具快速充放电、长循环寿命和高功率输出等优势但其性能高度依赖碳电极的微结构。多孔碳需要高比表面积和分级孔道来提供离子可达表面和快速传质同时又需要石墨化骨架来降低内阻、提升倍率性能和循环稳定性。然而传统活化往往以牺牲石墨化为代价获得孔隙传统催化石墨化又可能导致孔结构坍塌和金属团聚形成“高孔隙-高石墨化”难以兼得的结构矛盾。生物质水热炭来源低碳、含氧官能团丰富、易浸润活化剂是构筑先进碳电极的理想前驱体如何用快速、可控的非平衡热过程同时调控孔结构和石墨结构是本文关注的核心问题。2. 论文概要本研究中山西大学王宝凤教授团队提出“水热碳化 K2FeO4 非平衡活化 超快焦耳热”的生物质石墨化多孔碳制备策略玉米芯先经水热碳化形成导电性更好的水热炭再与 K2FeO4 复合并在电场诱导下快速升温其中 K 物种负责化学刻蚀构建微/介孔Fe 物种经碳热还原形成 Fe0 纳米颗粒并催化局域石墨化。最优样品 GPC-30s 在 800 °C、30 s 焦耳热条件下获得 1607 m²/g 的高比表面积、15.81% 的石墨化度和 3.426 Å 的较窄层间距实现孔隙与石墨化的结构平衡。作为超级电容器电极GPC-30s 在三电极体系中达到 268.0 F/g0.5 A/g对称器件中达到 53.6 F/g1 A/g从 1 到 5 A/g 保持 84.1% 电容能量密度为 16.7 Wh/kg750 W/kg5000 次循环后保持率为 95.0%。3. 图文解读图形摘要 | K2FeO4 活化与超快焦耳热协同构筑石墨化多孔碳。图形摘要概括了本文的核心策略K2FeO4 在焦耳热过程中提供 K 刻蚀和 Fe0 催化双功能前者构筑分级孔结构后者促进碳骨架局域石墨化最优焦耳热驻留时间为 30 s过短孔/石墨结构不足过长则可能导致孔坍塌或结构损伤。最终所得 GPC 兼具快速离子传输和高效电子导通能力服务于高倍率电荷存储。图 1 | 玉米芯水热炭经 K2FeO4 活化和超快焦耳热制备 GPC 的流程。图 1 展示了 GPC 的制备逻辑玉米芯经水热碳化后形成富含含氧官能团且具备基础导电网络的水热炭随后与 K2FeO4 复合并接受超快焦耳热处理。加热过程中 K2FeO4 转化出 KOH/Fe 物种K 刻蚀形成层级孔Fe 物种在碳热还原和电子通量作用下生成 Fe0并催化无定形碳重排为石墨化区域从而在短时间内实现“造孔”和“石墨化”同步调控。图 2 | GPC-30s、PC-TF 和 PC-KOH 的 SEM、EDS、TEM 与晶格结构。图 2 证明超快焦耳热对 Fe 分散和石墨化结构有明显优势GPC-30s、PC-TF 和 PC-KOH 均呈片层形貌但 GPC-30s 表面 Fe 元素分布更均匀说明 30 s 短驻留和约 253 K/s 快速淬冷抑制了 Fe 纳米颗粒奥斯特瓦尔德熟化。TEM/HRTEM 显示 GPC-30s 具有长程有序石墨化晶格层间距约 0.347 nm并可观察到 Fe0 纳米颗粒和 graphite-3R(002)、Fe0(211) 衍射特征相比之下PC-KOH 更无序PC-TF 仍有 Fe2O3 和较差石墨化。图 3 | 焦耳热温度和驻留时间对 GPC 孔结构的影响。图 3 说明孔结构存在明确最优窗口在 30 s 驻留时间下800 °C 样品比表面积最高达到 1607 m²/g总孔容为 1.00 cm³/g700 °C 活化不足900 °C 则因过度刻蚀和石墨堆叠导致部分孔坍塌。驻留时间从 10 s 延长至 30 s 可增强刻蚀并扩展孔结构继续延长到 40-60 s 则比表面积和总孔容下降。GPC-30s 同时具备约 0.7 nm 超微孔和约 5 nm 介孔有利于离子存储与快速传输。图 4 | XRD、Raman 与微晶参数揭示孔隙-石墨化协同演化。图 4 是全文结构机制的关键证据随焦耳热温度和驻留时间增加graphite-3R(002) 和 Fe0 特征增强Raman 中 ID/IG 下降、2D 峰增强说明 Fe0 催化缺陷修复和局域石墨化。800 °C、30 s 时 GPC-30s 在高比表面积和较高石墨化之间取得平衡40 s 虽进一步降低 ID/IG但比表面积明显损失60 s 甚至出现热损伤。与文献碳材料对比GPC-30s 落在高 SBET 和高 IG/ID 的优势区域突破了孔隙与石墨化难以兼得的传统限制。图 5 | XPS 分析 GPC 表面元素组成、碳/氧/铁化学状态。图 5 从表面化学角度补充解释性能来源GPC 表面含 C、O、Fe 等元素驻留时间从 20 s 到 40 s 时C 含量和 sp2 碳比例先升后降GPC-30s 表面 C 含量最高O、N 掺杂可改善亲水性并提供赝电容活性位点。Fe 2p 显示 Fe0 含量随时间延长而增加同时仍存在 FeO/Fe2O3酸洗后残余 Fe 被认为来自超快焦耳热形成的 Fe0石墨壳结构石墨壳可保护金属核心并参与导电网络构建。图 6 | ReaxFF 分子动力学揭示焦耳热下碳骨架重排与石墨化。图 6 用分子动力学从原子尺度解释 Fe 催化石墨化在 2274 K 模拟条件下初始无序交联碳网络经瞬时热冲击后发生断裂、重组和芳构化1.0-1.5 ns 阶段出现大量六元环和含缺陷多边形碳环3.0 ns 时形成更稳定的三维多孔碳网络。sp2 键和六元环数量先降后升说明高温先诱导断裂脱聚随后发生芳香团簇重组和石墨化生长Fe 原子降低碳重排能垒与实验中 Fe0 催化局域石墨化的结论一致。图 7 | GPC-30s、PC-KOH 和 PC-TF 在 6 M KOH 三电极体系中的电容行为。图 7 证明结构平衡直接转化为电化学动力学优势GPC-30s 的 CV/GCD 曲线接近理想电双层电容行为EIS 中等效串联电阻仅约 0.46-0.49 Ω电荷转移电阻约 0.15 Ω低于管式炉样品 PC-TF。GPC-30s 在 0.5 A/g 下比电容为 268.0 F/g20 A/g 下仍有 150.8 F/g在 50 mV/s 下表面控制电容贡献高达 97%显著高于 PC-TF80%和 PC-KOH61%说明分级孔结构和石墨化网络共同带来快速离子响应和低极化。图 8 | GPC-20s、GPC-30s、GPC-40s、GPC-60s 对称超级电容器性能。图 8 展示实际器件性能GPC-30s 的稳定电压窗口为 0-1.5 V在 1 M Na2SO4 对称器件中CV 曲线在高扫描速率下仍保持近矩形GCD 曲线近等腰三角形。GPC-30s 在 1 A/g 下比电容为 53.6 F/g从 1 到 5 A/g 保持 84.1% 电容能量密度达到 16.7 Wh/kg750 W/kg在 5 A/g 循环 5000 次后保持率为 95.0%库仑效率约 100%说明其兼具容量、倍率和循环稳定性。4. 总结展望这项工作的价值在于将 K2FeO4 的“一剂双效”与超快焦耳热的非平衡热场结合起来用 800 °C、30 s 的短时处理同时实现 K 造孔、Fe0 催化石墨化和快速淬冷定型从而在玉米芯水热炭中构建高比表面积与高导电骨架并存的石墨化多孔碳。相较传统管式炉长时间热处理该策略在抑制金属团聚和孔结构坍塌方面更具动力学优势并展示出良好的超级电容器倍率和循环性能。后续若能进一步量化焦耳热过程能耗、放大制备均一性、残余 Fe 的长期稳定性以及不同生物质前驱体的普适性该路线有望成为生物质碳电极快速制造和固废高值化利用的重要方法。论文信息Peng Zhang, Zeyu Liang, Xiang Lv, Mukun Xue, Huirong Zhang, Jinglei Cui, Haibin Wu, Baofeng Wang, Yanxia Guo,Ultrafast Joule heating-driven non-equilibrium K2FeO4 activation of corncob hydrochar: Synergistic regulation of porous and graphitic structures in carbon electrodes for supercapacitors,Carbon,2026,121799,ISSN 0008-6223,https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121799.