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储能材料超快制备：1800℃/1 秒碳热冲击，电荷传输电阻低至 1.48 Ω

点击：0 时间：2025-06-26 14:37:22

2025年1月，中国地质大学的邓恒教授团队在《Journal of Materials Chemistry A》上发表了题为“Ultrafast synthesis of porous Fe3C/carbon hybrid materials via a carbothermal shock reactor for advanced energy storage applications”的论文，通过在1秒内将铁碳前驱体加热至1800℃的超快合成方法，使前驱体热解产生的高密度挥发性蒸汽充当造孔剂并限域铁基纳米颗粒生长，制备出多孔Fe₃C/碳杂化材料，其在超级电容器和锂离子电池中展现出优异的电化学性能。

【研究背景】

1.能源与环境双重挑战：全球经济高速发展伴随化石燃料枯竭与环境污染，电化学储能技术因高能量密度、功率密度及成本效益，成为解决能源供应难题的关键。

2.铁基材料的应用瓶颈：铁基材料因高理论容量、宽电化学窗口、低成本及丰富储量，在能源存储领域备受关注，但其实际应用受限于电化学活性与循环稳定性不足。

3.传统制备方法的局限性：主流铁碳材料制备方法常导致铁基纳米颗粒与多孔碳基质形貌结构失控，模板辅助法虽能改善，但存在模板成本高、去除耗时且污染环境等问题。

【研究方法】

1.材料制备与实验设计：将滤纸浸泡于3.5 mol/L硝酸铁溶液2小时，干燥后制得铁浸渍滤纸（IIFP）；将IIFP切成2 cm×1 cm矩形膜，置于两层碳纸间，在CTS反应器中以1秒升温至1000℃、1400℃、1800℃处理，制得CTS-Fe-C-x样品；同时，将IIFP在管式炉中以5℃/min升温至800℃，氮气氛围保持2小时，制得TF-Fe-C样品作对比。

2.设备参数与工艺细节：CTS反应器通过高电流流经碳纸实现超快辐射加热，1秒内达1800℃，单次实验投入约410 mg样品，产率约80 mg；管式炉加热速率为5℃/min，温度维持2小时。

3.表征手段与验证逻辑：采用XRD分析物相，SEM、TEM观察微观形貌，Raman、XPS表征结构与价键，BET测定比表面积与孔径分布；通过ReaxFF分子动力学模拟不同温度下CO₂生成量，验证挥发分对孔结构形成及纳米颗粒限域的作用，对比CTS与管式炉样品性能差异。

【研究结果】

1.材料结构与性能突破：CTS-Fe-C-1800形成多孔碳基质与Fe₃C纳米颗粒的 hybrid 结构，比表面积达161.3 m²/g，Fe₃C纳米颗粒平均粒径仅15 nm，显著小于管式炉样品的180 nm。

图1.CTS 与管式炉样品的微观形貌对比

2.电化学性能优异：作为超级电容器电极，在0.5 A/g电流密度下比容量达425.5 F/g，能量密度148.93 Wh/kg；柔性微型超级电容器能量密度71.49 Wh/kg；作为锂离子电池负极，1 A/g电流密度循环1000次后容量保持801.2 mAh/g，远超多数已报道铁碳负极。

3.机理验证与优势分析：超快加热使挥发分充当孔形成剂与纳米颗粒限域模板，高温促进Fe₃C生成与碳基质石墨化，MD模拟证实1800℃时CO₂生成量最多，孔结构最丰富，电荷传输电阻仅1.48 Ω。

【展望】

1.优化制备工艺：进一步调控CTS反应器参数，探索更低能耗、更高产率的制备工艺，实现材料规模化生产。

2.拓展应用领域：将该材料应用于其他储能体系，如锌离子电池、钾离子电池，探索其在柔性电子器件、可穿戴设备中的集成应用。

3.深入机理研究：结合原位表征技术，深入研究材料在储能过程中的界面反应机理、结构演变规律，为材料设计提供更精准的理论指导。

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