导读超快速焦耳加热将传统数小时的生物质碳化过程压缩至20秒。山东理工大学团队以废弃核桃壳为原料制得兼具高比表面积、优异倍率性能与循环稳定性的多孔碳电极。超级电容器以高功率密度、快速充放电和长寿命著称是脉冲电源、电动交通和电网调频的重要储能器件。但其核心电极材料活性炭的制备长期依赖管式炉或箱式炉高温碳化缓慢升温、数小时保温、持续通入惰性气体电力与惰性气体消耗甚至可占制造成本的一半以上。与此同时核桃壳等农业废弃物富含碳元素却常被低值利用。能否用更短时间、更低能耗把这类生物质直接转化为高性能储能材料针对上述难题山东理工大学张维民、黄鑫团队提出了一种超快速焦耳加热策略。研究人员以废弃核桃壳为碳源、乙酸钾为活化剂在1200 ℃下仅用20 s便制得多孔生物质碳材料JH-C。该材料的比表面积达到1880.9 m2 g−1在1 A g−1下实现226.9 F g−1的比电容经过10000次循环后电容保持率仍达93.1%优于传统管式炉制备的对照碳材料。相关成果以“Ultrafast conversion of waste walnut shell into high capacitance biocarbon”为题发表于 Materials Letters。20秒如何“烧”出多孔碳研究人员首先将核桃壳气流粉碎再与乙酸钾混合置于石墨片覆盖的碳舟中进行焦耳加热。与传统炉子由外向内、缓慢传热不同焦耳加热可在约850 ℃ s−1的升温速率下将体系迅速推至1200 ℃。这里乙酸钾并不只是普通添加剂。升温过程中它会形成碳酸钾及气体产物当温度超过700 ℃后碳酸钾进一步与碳骨架反应生成的金属钾可插层进入碳结构酸洗后留下微孔同步释放的CO2和CO则继续刻蚀碳骨架。可以把这一过程理解为在极短时间内同时完成“插层、造孔和刻蚀”。关键在于速度。传统炉式碳化中气体释放和碳骨架重排较为缓慢而焦耳加热让活化剂的分解、气体逸出与孔结构形成几乎在同一瞬间发生从而在碳骨架来得及松弛前锁定更均匀的微孔网络。图1更大的比表面积更连续的导电网络SEM和TEM表明JH-C与传统炉碳C-C都呈不规则块状形貌但JH-C中细小颗粒更多。这一差异来自超快速升温造成的热冲击和机械应力。更重要的是孔结构与碳骨架的变化。JH-C的孔容积达到0.997 cm3 g−1高于C-C的0.814 cm3 g−1BET比表面积则由1530.3 m2 g−1提升至1880.9 m2 g−1。对于依赖电双层储能的碳电极而言这意味着电解液离子拥有更多可进入、可吸附的界面。拉曼光谱进一步显示JH-C的sp2/sp3比值为2.19高于C-C的2.01。换言之焦耳加热得到的碳材料拥有更连续的类石墨导电网络电子在其中迁移时遇到的“断点”更少。这也为后续的快速充放电埋下了伏笔。图2孔更多、导电更快电容表现随之提升在非对称体系中JH-C在1 A g−1下的比电容达到226.9 F g−1高于C-C的211.3 F g−1当电流密度提升至10 A g−1时JH-C仍可保持185.0 F g−1倍率保持率为81.5%优于对照样品的77.4%。在对称超级电容器中JH-C同样表现更好0.5 A g−1下的比电容为54.3 F g−1高于C-C的50.7 F g−1。这种优势并非只来自“表面积更大”。阻抗分析显示JH-C具有更低的电荷转移阻力说明其连续导电网络能够缩短电子传输路径而更高的孔容积则为电解液离子的快速进出提供了通道。电子走得更快离子进得更顺材料在大电流下便更不容易“掉队”。图3不仅储得更多也更耐用水系超级电容器在长期工作中面临一个隐蔽问题正极析氧和负极析氢等副反应会消耗电解液并加速器件自放电和性能衰减。线性扫描伏安测试表明JH-C在析氧和析氢区域的电流密度都略低于C-C。COMSOL模拟也显示JH-C体系中的溶解氧浓度稍低而两种材料的氢气浓度均维持在很低水平。这说明焦耳加热碳并没有改变水系储能的基本边界但其更有序的碳网络和更均一的结构有助于减轻副反应。最终这种结构优势落实到循环寿命上在5 A g−1下循环10000次后JH-C仍保留约93.1%的初始电容而C-C为88.3%。同时JH-C在整个功率密度范围内均呈现更高的能量密度体现出更好的快充放能力。总结与展望这项工作的亮点不只是把核桃壳制成了活性炭而是把“数小时高温碳化”压缩到了20秒。超快速焦耳加热与乙酸钾活化协同使废弃生物质同时获得更高比表面积、更丰富孔结构和更连续导电网络最终转化为性能优于传统炉碳的超级电容器电极。当前实验仍以50 mg批次为主放大后如何保持焦耳加热的温度均匀性、活化效率和后处理成本仍是走向产业化的关键。但这项研究已经展示出一条值得关注的路径农业废弃物不必只是燃料或填埋物也可以在短短数十秒内成为面向下一代储能器件的高价值碳材料。焦耳加热技术细节补充论文中的焦耳加热并非将粉体直接接入电路研究人员将50 mg核桃壳与乙酸钾的混合物置于碳舟中并以石墨片覆盖后在焦耳加热设备中处理。实验设定为1200 ℃、20 s升温速率约850 ℃ s−1反应产物随后经2 M盐酸洗涤并在真空条件下干燥12 h得到JH-C。作为对照作者以相同前驱体采用管式炉在750 ℃碳化2 h制备C-C。也正是这种超快速热历史使乙酸钾分解、气体释放和碳骨架活化在极短时间内协同发生。论文信息Lei Jin, Xinru Wang, Wenqian Li, Yushi He, Chunting Wang, Weimin Zhang, Xin Huang. Ultrafast conversion of waste walnut shell into high capacitance biocarbon, Materials Letters, Volume 423, 2026, 141389, ISSN 0167-577X, https://doi.org/10.1016/j.matlet.2026.141389. 山东理工大学Materials Letters：20秒，废弃核桃壳“变身”高性能电容炭！
导读超快速焦耳加热将传统数小时的生物质碳化过程压缩至20秒。山东理工大学团队以废弃核桃壳为原料制得兼具高比表面积、优异倍率性能与循环稳定性的多孔碳电极。超级电容器以高功率密度、快速充放电和长寿命著称是脉冲电源、电动交通和电网调频的重要储能器件。但其核心电极材料活性炭的制备长期依赖管式炉或箱式炉高温碳化缓慢升温、数小时保温、持续通入惰性气体电力与惰性气体消耗甚至可占制造成本的一半以上。与此同时核桃壳等农业废弃物富含碳元素却常被低值利用。能否用更短时间、更低能耗把这类生物质直接转化为高性能储能材料针对上述难题山东理工大学张维民、黄鑫团队提出了一种超快速焦耳加热策略。研究人员以废弃核桃壳为碳源、乙酸钾为活化剂在1200 ℃下仅用20 s便制得多孔生物质碳材料JH-C。该材料的比表面积达到1880.9 m2 g−1在1 A g−1下实现226.9 F g−1的比电容经过10000次循环后电容保持率仍达93.1%优于传统管式炉制备的对照碳材料。相关成果以“Ultrafast conversion of waste walnut shell into high capacitance biocarbon”为题发表于 Materials Letters。20秒如何“烧”出多孔碳研究人员首先将核桃壳气流粉碎再与乙酸钾混合置于石墨片覆盖的碳舟中进行焦耳加热。与传统炉子由外向内、缓慢传热不同焦耳加热可在约850 ℃ s−1的升温速率下将体系迅速推至1200 ℃。这里乙酸钾并不只是普通添加剂。升温过程中它会形成碳酸钾及气体产物当温度超过700 ℃后碳酸钾进一步与碳骨架反应生成的金属钾可插层进入碳结构酸洗后留下微孔同步释放的CO2和CO则继续刻蚀碳骨架。可以把这一过程理解为在极短时间内同时完成“插层、造孔和刻蚀”。关键在于速度。传统炉式碳化中气体释放和碳骨架重排较为缓慢而焦耳加热让活化剂的分解、气体逸出与孔结构形成几乎在同一瞬间发生从而在碳骨架来得及松弛前锁定更均匀的微孔网络。图1更大的比表面积更连续的导电网络SEM和TEM表明JH-C与传统炉碳C-C都呈不规则块状形貌但JH-C中细小颗粒更多。这一差异来自超快速升温造成的热冲击和机械应力。更重要的是孔结构与碳骨架的变化。JH-C的孔容积达到0.997 cm3 g−1高于C-C的0.814 cm3 g−1BET比表面积则由1530.3 m2 g−1提升至1880.9 m2 g−1。对于依赖电双层储能的碳电极而言这意味着电解液离子拥有更多可进入、可吸附的界面。拉曼光谱进一步显示JH-C的sp2/sp3比值为2.19高于C-C的2.01。换言之焦耳加热得到的碳材料拥有更连续的类石墨导电网络电子在其中迁移时遇到的“断点”更少。这也为后续的快速充放电埋下了伏笔。图2孔更多、导电更快电容表现随之提升在非对称体系中JH-C在1 A g−1下的比电容达到226.9 F g−1高于C-C的211.3 F g−1当电流密度提升至10 A g−1时JH-C仍可保持185.0 F g−1倍率保持率为81.5%优于对照样品的77.4%。在对称超级电容器中JH-C同样表现更好0.5 A g−1下的比电容为54.3 F g−1高于C-C的50.7 F g−1。这种优势并非只来自“表面积更大”。阻抗分析显示JH-C具有更低的电荷转移阻力说明其连续导电网络能够缩短电子传输路径而更高的孔容积则为电解液离子的快速进出提供了通道。电子走得更快离子进得更顺材料在大电流下便更不容易“掉队”。图3不仅储得更多也更耐用水系超级电容器在长期工作中面临一个隐蔽问题正极析氧和负极析氢等副反应会消耗电解液并加速器件自放电和性能衰减。线性扫描伏安测试表明JH-C在析氧和析氢区域的电流密度都略低于C-C。COMSOL模拟也显示JH-C体系中的溶解氧浓度稍低而两种材料的氢气浓度均维持在很低水平。这说明焦耳加热碳并没有改变水系储能的基本边界但其更有序的碳网络和更均一的结构有助于减轻副反应。最终这种结构优势落实到循环寿命上在5 A g−1下循环10000次后JH-C仍保留约93.1%的初始电容而C-C为88.3%。同时JH-C在整个功率密度范围内均呈现更高的能量密度体现出更好的快充放能力。总结与展望这项工作的亮点不只是把核桃壳制成了活性炭而是把“数小时高温碳化”压缩到了20秒。超快速焦耳加热与乙酸钾活化协同使废弃生物质同时获得更高比表面积、更丰富孔结构和更连续导电网络最终转化为性能优于传统炉碳的超级电容器电极。当前实验仍以50 mg批次为主放大后如何保持焦耳加热的温度均匀性、活化效率和后处理成本仍是走向产业化的关键。但这项研究已经展示出一条值得关注的路径农业废弃物不必只是燃料或填埋物也可以在短短数十秒内成为面向下一代储能器件的高价值碳材料。焦耳加热技术细节补充论文中的焦耳加热并非将粉体直接接入电路研究人员将50 mg核桃壳与乙酸钾的混合物置于碳舟中并以石墨片覆盖后在焦耳加热设备中处理。实验设定为1200 ℃、20 s升温速率约850 ℃ s−1反应产物随后经2 M盐酸洗涤并在真空条件下干燥12 h得到JH-C。作为对照作者以相同前驱体采用管式炉在750 ℃碳化2 h制备C-C。也正是这种超快速热历史使乙酸钾分解、气体释放和碳骨架活化在极短时间内协同发生。论文信息Lei Jin, Xinru Wang, Wenqian Li, Yushi He, Chunting Wang, Weimin Zhang, Xin Huang. Ultrafast conversion of waste walnut shell into high capacitance biocarbon, Materials Letters, Volume 423, 2026, 141389, ISSN 0167-577X, https://doi.org/10.1016/j.matlet.2026.141389.