综述！煤焦油沥青基多孔碳：合成策略及其在储能中应用的最新进展

摘要：本文，新疆大学吴冬玲教授团队在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊发表名为“Coal Tar Pitch-Based Porous Carbon: Synthetic Strategies and Their Applicati

本文，新疆大学吴冬玲教授团队在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊发表名为“Coal Tar Pitch-Based Porous Carbon: Synthetic Strategies and Their Applications in Energy Storage”的论文，研究系统综述了煤焦油沥青（CTP）衍生的多孔碳制备策略及其在能源存储与转换领域的先进应用。首先阐明CTP的组成、分子结构及物理化学性质，为理解其后续转化与利用奠定基础知识。随后深入探讨CTP的碳化机制，阐明其从沥青向碳质材料转化的内在原理。

在此基础上，全面探讨了基于CTP的多孔碳先进合成方法，包括活化、模板法及杂原子掺杂技术，为材料定制化制备提供技术指引。特别关注其在超级电容器和碱金属电池中的应用，重点阐述通过优化孔道结构、表面化学性质及导电网络，CTP衍生的多孔碳如何显著提升电化学性能。本综述整合领域前沿进展，旨在构建连接CTP基多孔碳“组分-结构-性能”关系的整体框架。研究成果为合理设计具有卓越储能性能的新一代多孔碳材料提供了指导，从而弥合了前驱体工程与功能材料创新之间的鸿沟。

图1、Illustration of the characteristics, typical composition, and pretreatment of CTP, as well as the preparation methods and applications of CTP-based porous carbon in the energy storage field.

本综述从分子工程学视角探讨了CTP衍生的多孔碳材料的组分-结构-性能关系，阐明了CTP组分、性质与碳化行为之间的关联，为前驱体选择和工艺设计提供指导。分析了预处理、活化、模板法及复合材料工程等先进合成策略在孔隙结构、石墨化及表面化学方面的作用。在储能应用中，CTP-PCs的组分/结构-功能耦合机制逐渐明晰：

通过整合适配电解质离子的孔道体系，CTP-PCs提供丰富离子吸附位点，优化离子传输与存储以提升电容。杂原子掺杂引入活性位点，增强界面反应性并加速氧化还原反应。与其他材料的协同效应进一步强化这些优势，同时提升假电容与总电容。

多孔结构充当锂/钠/钾离子的“纳米陷阱”，石墨微晶层间距则促进离子快速插拔。杂原子共掺杂稳定SEI膜，改善离子传导效率。缺陷结构通过增加离子吸附位点、降低扩散阻力，显著提升循环稳定性与倍率性能，从而增强电池整体表现。

尽管取得上述进展，基于CTP的多孔碳材料研究仍面临多重挑战：

合成化学瓶颈。传统氧化/活化工艺高度依赖强酸/强碱等腐蚀性化学品，带来显著的环境、腐蚀及能耗问题。亟需开发绿色工艺，包括绿色氧化、熔盐活化、生物质模板法及等离子体辅助催化石墨化。

多孔结构与离子传输动力学。电极材料多孔拓扑结构与离子传输动力学间的复杂交互作用构成重大挑战，主要源于尚未量化的非线性耦合关系。亟需开展全面深入的研究，阐明原子尺度结构（包括晶格排列与键合构型）、纳米尺度多几何形态孔隙以及各类缺陷如何动态调控储能性能的精确机制。理解这些关系对理性材料设计至关重要，将使研究人员能够构建结构优化的电极材料，从而提升储能装置的整体效率与耐久性。

应用场景受限。现有研究主要聚焦于单一储能装置，但面向下一代高能量密度、高功率混合系统及柔性储能装置，基于CTP的多孔碳材料亟需突破适应多电子反应的瓶颈，同时解决结构柔韧性与离子传输效率的平衡难题，以及复杂弯曲条件下机械稳定性不足等问题。

CTP及其衍生多孔碳材料的可持续性。就沥青来源而言，源自可再生生物质资源的生物沥青可视为前驱体。其制备过程绿色环保，契合可持续发展需求。此外，生物沥青具有资源来源广泛、结构可控性强的特点，有利于调控衍生碳材料的孔隙结构、比表面积及化学性质，以满足其在不同储能装置中的应用需求。同时需开展全生命周期可持续性评估，系统考量材料从原料获取、制备过程、使用阶段到处置环节的环境与社会影响。这将推动基于CTP的多孔碳材料实现从实验室研究到工业应用的重大跨越，为应对全球能源与环境挑战提供切实可行的材料解决方案。

可扩展连续生产技术。需深入研究可扩展连续生产技术领域，重点关注具有产业化潜力的连续生产工艺，如熔融纺丝-流化床活化技术，以及空气气氛下马弗炉阻燃剂辅助碳化工艺。同时，未来需整合环保与市场需求，推动工艺优化与设备创新，实现低成本高附加值多孔碳的大规模生产。鉴于阻燃剂的优势，进一步研究空气环境下阻燃剂辅助碳化技术对工业化生产至关重要。

柔性/可穿戴电子领域的新兴应用。在构建高容量电极时，必须提升电极稳定性、延长器件寿命，并优先考虑与新型电解质（如固态和凝胶态电解质）的兼容性。尤其需要深入研究共晶基凝胶电解质以实现更宽广的耐温性，确保柔性器件在极端温度下正常运行。基于CTP的多孔碳材料研究应优先采用多尺度结构设计。具体包括：通过原子级杂原子掺杂调控电子结构，借助纳米级孔道工程优化离子传输路径，并通过形态控制提升宏观性能以实现综合优化。此外，应着力探索将催化、传感等功能与材料的多功能集成，从而拓展应用场景，满足新一代可穿戴及便携电子设备的多样化需求。

文献：