焦耳热Materials Letters，焦耳热助力废弃核桃壳超快速转化为高电容生物碳

山东理工大学张维民/黄鑫团队Materials Letters，焦耳热助力废弃核桃壳超快速转化为高电容生物碳

DOI:10.1016/j.matlet.2026.141389

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传统生物质碳化制备超级电容器电极材料，通常需要在管式炉中高温煅烧数小时，能耗高、耗时长。本研究提出一种超快焦耳热策略，将废弃核桃壳与乙酸钾混合后，在1200 °C下仅需20秒即可转化为高性能多孔碳（JH-C）。所得JH-C比表面积高达1880.9 m² g⁻¹，在1 A g⁻¹下比电容达226.9 F g⁻¹，优于传统管式炉热解碳（C-C，211 F g⁻¹）。在10,000次循环后容量保持率达93.1%，展现出优异的循环稳定性。该工作为农业废弃物高值化利用提供了一条低能耗、高效率、可规模化的绿色新路径。

背景介绍

超级电容器作为一种兼具中等能量密度和高功率密度的储能器件，在电动汽车脉冲电源等领域具有广阔应用前景。活性炭是超级电容器的核心电极材料，其生产过程中能耗和惰性气体消耗占总制造成本的一半以上。

传统碳化工艺采用管式炉或箱式炉，升温速率缓慢（通常5~20 °C min⁻¹），保温时间长达数小时。这种热力学平衡主导的加工方式不仅耗时耗能，还限制了碳材料微观结构的精准调控。如何实现生物质废弃物的快速、低能耗、高性能转化，是领域内亟待突破的瓶颈。

本文亮点

（1）超快制备：焦耳热技术将碳化时间从数小时缩短至20秒，大幅降低能耗和惰性气体消耗。

（2）性能优异：JH-C比表面积达1880.9 m² g⁻¹，比电容226.9 F g⁻¹，10,000次循环后容量保持率93.1%，优于传统热解碳。

（3）工艺简单：以废弃核桃壳为原料，乙酸钾为活化剂，无需复杂预处理，成本低廉、可规模化。

图文解析

图1：材料合成与形貌结构表征

(a) JH-C的合成示意图；(b, c) JH-C和C-C的SEM图像；(d, e) JH-C和C-C的TEM图像；(f, g) JH-C和C-C的Raman光谱。

图1a展示了焦耳热碳化流程：废弃核桃壳经气流磨预处理后与KAc混合，在焦耳热装置中1200 °C处理20 s即得JH-C。SEM和TEM（图1b-e）显示两种碳材料均为不规则块状形貌，但JH-C含有更多细颗粒，归因于超快焦耳热产生的热冲击和机械应力。Raman光谱（图1f-g）表明JH-C的sp²/sp³比值（2.19）高于C-C（2.01），证实焦耳热促进了石墨化网络扩展，有利于提升电子导电性。

图2：电化学性能对比

 (a, c) JH-C和C-C在1 M KOH中1 A g⁻¹下的非对称和对称超级电容器GCD曲线对比；(b, d) 倍率性能汇总；(e) 超级电容器的Nyquist图及等效电路拟合参数(f)。

GCD曲线（图2a）显示JH-C比电容达226.9 F g⁻¹，高于C-C的211.3 F g⁻¹。倍率性能（图2b）表明JH-C从1至10 A g⁻¹容量保持率81.5%，优于C-C的77.4%，归因于其更高的导电性。对称电池中（图2c-d）JH-C同样QMLX。EIS（图2e-f）显示JH-C具有更低的欧姆阻抗和更优的反应动力学。

图3：副反应抑制、能量密度与循环稳定性

(a, b) OER和HER的LSV曲线；(c, d) COMSOL模拟的JH-C和C-C中O₂和H₂浓度分布；(e) 对称两电极体系的Ragone图；(f) 5 A g⁻¹下10,000次循环稳定性。

LSV（图3a-b）显示JH-C的OER和HER电流密度均低于C-C，表明其对寄生反应的抑制效果更优。COMSOL模拟（图3c-d）验证了JH-C较低的O₂浓度分布。Ragone图（图3e）表明JH-C在全功率密度范围内能量密度均优于C-C。10,000次循环后（图3f），JH-C容量保持93.1%，显著优于C-C的88.3%。

总结与展望

本研究证明，焦耳热超快碳化可将废弃核桃壳在20秒内转化为高性能超级电容器电极材料。与传统管式炉工艺相比，该方法大幅缩短了制备时间、降低了能耗和惰性气体消耗，同时所得碳材料在比表面积、比电容、倍率性能和循环稳定性等方面均实现全面提升。尽管目前为实验室规模（50 mg批次），但焦耳热平台已在前期研究中展现出良好的可扩展性。该工作为农业废弃物高值化利用和低成本储能电极材料的绿色制备提供了新思路。

本文使用的焦耳加热装置由合肥原位科技有限公司研发，感谢老师支持和认可！

通讯作者简介

张维民，山东理工大学化学化工学院，副教授。2010年于澳大利亚Wollongong大学获得博士学位；2010年10月- 2011年10月，在澳大利亚Wollongong大学从事博士后工作；2011年10-2013年7月，于澳大利亚Sydney大学从事博士后工作；2013年8月-2018年3月，任中聚电池研究院院长助理、技术顾问；2014年1月-2018年3月，于上海交通大学化学化工学院任助理研究员；2018年3月-至今，任教于山东理工大学化学化工学院。主要研究方向为电化学储能材料与器件、生物质碳材料的高值化利用。近年来以第一/通讯作者在ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Alloys Compd. 等期刊发表SCI论文三十余篇，主持多项科研课题。