图1. a) HTS测试曲线显示加热和冷却速率分别为~400和400°C s⁻¹。b-d) 原料针状焦、HTS-APC和TF-APC的SEM图像。e) HTS-APC的TEM图像。f) 具有丰富微孔的HTS-APC高分辨率TEM图像。g-j) HTS-APC的EDS mapping。h) C元素。j) N元素。
HTS过程实现了超快速加热(加热速率约400°C s⁻¹)和冷却，诱导形成均匀多孔结构。与原料针状焦相比，HTS-APC表面呈现出均匀致密的褶皱和多个裂隙，大大提高了碳材料的比表面积。TEM图像显示HTS-APC具有明显的层状结构特征，EDS mapping表明元素分布均匀。
图2. 活化多孔碳(HTS-APC、TF-APC、原料针状焦)的物理表征。a,b) HTS-APC、TF-APC和原料针状焦的氮气吸附-脱附等温线和孔径分布曲线。c) 拉曼光谱。d) X射线衍射(XRD)图谱。e) XPS全谱。f-h) C1s、O1s、N1s的分峰曲线。i) HTS-APC、TF-APC、原料的表面原子含量。
氮气吸附-脱附曲线表明HTS-APC具有I型和IV型复合等温线，存在高质量的微孔、中孔和大孔。HTS-APC在三种样品中表现出最高的比表面积和较小的平均孔径，大多数孔为微孔和中孔，可为离子提供足够的吸附活性位点和快速传输通道。拉曼光谱显示HTS-APC具有最高的ID/IG比(1.00)，证明其具有最高的无序度和最丰富的缺陷特征。XPS分析表明HTS-APC样品中N和O元素含量(4%和49%)显著高于TF-APC(2%和38%)，表明HTS-APC电极表面的表面张力和润湿性更好。
图3. HTS-APC、TF-APC和原料针状焦的电化学性能。a) HTS-APC、TF-APC、原料在100 mV s⁻¹下的循环伏安(CV)曲线。b) HTS-APC从5到100 mV s⁻¹的CV曲线。c) HTS-APC、TF-APC、原料在1 A g⁻¹下的恒电流充放电(GCD)曲线。d) HTS-APC在不同电流密度下的GCD曲线。e) 奈奎斯特图。f) 在10 A g⁻¹下的循环稳定性。g) 质量比电容随不同电流密度的变化。
电化学测试表明，HTS-APC具有最大的比电容和优异的电荷转移动力学。CV曲线保持良好矩形形状，GCD曲线呈三角形，证明材料具有典型的EDLC特性和良好的可逆充放电行为。奈奎斯特图显示HTS-APC具有最小的等效串联电阻，表明其在三种样品中具有最高的倍率性能。循环性能测试表明，HTS-APC在10 A g⁻¹下经过10,000次循环后具有最高的容量保持率(99.34%)，显著高于TF-APC(92.28%)和原料(89.06%)。HTS-APC在1 A g⁻¹下表现出326 F g⁻¹的高质量比电容，即使在10 A g⁻¹的高电流密度下，比电容值仍达到171 F g⁻¹，表现出优异的倍率特性。
图4. HTS-APC的电化学性能。a-e) HTS-APC//HTS-APC在6 M KOH电解液中测试。f-j) HTS-APC//HTS-APC在EMIMBF4电解液中测试。a) 5-40 mV s⁻¹的CV曲线。b) 1-10 A g⁻¹的GCD曲线。c) Ragone图。d) 奈奎斯特图。e) HTS-APC//HTS-APC在10 A g⁻¹下的循环稳定性。f) 奈奎斯特图。g) 1-10 A g⁻¹的GCD曲线。h) 质量比电容随不同电流密度的变化。i) Ragone图。j) HTS-APC//HTS-APC在20 A g⁻¹下的循环稳定性。
在两电极系统测试中，HTS-APC//HTS-APC超级电容器在KOH和EMIMBF4电解液中均表现出优异的电化学性能。在EMIMBF4离子液体电解液中，电压窗口增加至3.5V，CV曲线仍保持矩形形状。当功率密度为875 W kg⁻¹时，HTS-APC//HTS-APC的能量密度达到35 Wh kg⁻¹；当功率密度为8748 W kg⁻¹时，能量密度仍保持在17.9 Wh kg⁻¹。这些结果表明HTS-APC//HTS-APC作为超级电容器可以提供超过商业活性炭YP50F制备的超级电容器的能量密度。循环稳定性测试证明，HTS-APC//HTS-APC在20 A g⁻¹下经过10,000次循环后仍保持98.81%的电容保持率和100%的库仑效率，表现出优异的循环稳定性。